锂离子三元正极材料Li(Ni0.4Co0.2Mn0.4)O2的制备[20200411153529]
摘要
层状锂离子三元正极材料具有放电比容量高，循环性能好，倍率性能好等优点被誉为是最有可能成为锂离子电池下一代锂离子电池的正极材料。对其各方面的探究则成为目前的研究热点。
本课题通过简化的共沉淀方法制备三元材Li(Ni0.4Co0.2Mn0.4)O2，并探究合成前驱体过程中，反应温度，沉淀剂的种类和滴加方式对合成前驱体的影响。从而寻找提高材料表面特征，电化学性能的原理。结果如下可知：温度过低时反应不充分，金属离子不能完全沉淀，温度过高时，形成的沉淀容易分解，而不容易形成团聚，影响材料总体性能。在沉淀剂的选择是应当寻找颗粒粒径适中的。粒径过小，导致材料结构容易被破坏，粒径过大，则导致材料比表面积下降，材料的利用率下降，容量降低。滴加方式正滴效果优于反滴，反滴时形成的前驱体颗粒不均匀，材料的比容量和循环性能都不好。
 *查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2 
关键字:Li(Ni0.4Co0.2Mn0.4)O2共沉淀温度沉淀剂滴加方式
目 录
绪论 1
1.1 前言 1
1.2 锂离子电池概述 1
1.2.1 锂离子电池的历史及发展 1
1.2.2 锂离子电池的结构及原理 3
1.2.3 锂离子电池的特征 4
1.3 常见锂离子电池正极材料简介 6
1.3.1 层状正极材料 6
1.3.2 尖晶石正极材料 7
1.3.3 聚阴离子氧化物正极材料 8
1.3.4 其他正极材料 8
1.4 锂离子正极材料的常见合成方法 9
1.4.1 固相合成法 9
1.4.2 软化学方法 9
1.4.3 其他方法 10
1.5 本课题的设计思路及方法 10
实验 11
2.1实验药品及设备 11
2.2 材料制备工艺流程图 12
2.3 材料的物理化学性质表征 13
2.4材料的电化学性能测试 13
实验结果及分析 15
3.1 反应温度对合成LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2的影响 15
3.1.1 XRD谱图分析 15
3.1.2 电池的充放电性能测试 16
3.1.3 交流阻抗(EIS)测试 17
3.2 沉淀剂对合成LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2的影响 18
3.2.1 XRD谱图分析 18
3.2.2 电池的充放电性能测试 18
3.2.3 交流阻抗(EIS)测试 20
3.3 滴加方式对合成LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2的影响 21
3.3.1 XRD谱图分析 21
3.3.2 电池的充放电性能测试 21
3.3.3 交流阻抗(EIS)测试 23
总结 24
参考文献 25
致谢 26
绪论
1.1 前言
能源是人类社会发展的基础，人类文明发展的历史，也可以说是一部能源发展史。自地球诞生以来，自然界的阳光孕育了万物。远古时代古人类掌握用火，以水为动力的机械的出现，都是人类向自然界索取新能源的重要进步，也促进了人类文明的重大发展。人类社会的发展，对于能源的需求提出了更高的要求，同时也是更好的发展契机。
电化学系统由于具有能量转换效率高，无噪声污染，能量密度高，可随意组合移动等优点已逐渐应用在风能和太阳能的存储上。目前，欧洲，美国，日韩等许多国家都投入了巨大物力人力来研究高能量密度，高比功率，安全，长寿命，环境有好的高性能二次电池。在这其中锂离子电池具有高比能量，工作电压高，循环寿命长，无记忆效应和成品样式多样化等众多优点，已广泛的应用于手机、笔记本电脑等电子产品及新能源汽车、自行车乃至于航空航天和国防军事等领域，具有极为光明的市场前景。
1.2 锂离子电池概述
1.2.1 锂离子电池的历史及发展
锂二次电池的研究最早开始于上世纪60-70年代的石油危机，当时以金属锂及其合金为负极的电池体系是人们主要研究的重点。但是由于金属锂表面的不均匀造成锂的不均匀堆积从而产生枝晶，枝晶积累到一定程度产生“死锂”，造成锂的不可逆，更有甚者造成隔膜破损，电池短路，酿成事故。然而随着人们对铅，镉这些有毒金属的认识，与之相关的电池被限制，进而推动了锂离子电池的发展。经过十多年的探索，以碳材料代替金属锂充当负极，以锂及过渡金属的复合氧化物充当正极，终于在80年代末诞生了锂离子电池。之后的十多年锂电池的发展迅速。其发展过程如表1.2.1：
表1.2.1锂二次电池的发展过程
年份 电池组成的发展 体系
负极 正极 电解质
1970 金属锂 锂合金 过渡金属硫化物 (TiS2、MoS2) 过渡金属氧化物 (V205、V6013) 液 体 正极 (S02） 液体有机电解质 固体无机电解质 (Li3N) Li/LE/TiS2 Li/TiS2
1980 锂的嵌入物 （LiW02） Li的碳化物 （LiC12、焦炭) 聚合物正极 FeS2正极 硒化物(NbSe3） 放过电的正极 （LiCoO2、LiNiO2) 锰的氧化物 （LixMn2O4) 聚合物电解质 增塑的聚合物 电解质 Li/聚合物二次电池 Li/LE/MoS2 Li/LE/NbSe2 Li/LE/LiCoO2 Li/PE/V205、V6013 Li/LE/MnO2
1990 Li的碳化物 （LiC6、石墨) 尖晶石氧化锰锂 （LiMn2O4） C/LE/LiCo02 C/LE/LiMn204
1994 无定形碳
1995 氧化镍锂 PVDF凝胶电解质 凝胶锂离子电池
1997 锡的氧化物 橄榄石型LiFePO4
1998 新型合金
2000 纳米氧化物
2002 实用性LiFePO4 C//电解质//LiFePO4
注：LE为液体电解质；PE为聚合物电解质。
从表1.2.1还可以看出，除了金属锂电池外还有许多种锂电池，不少已经商业化成功，应用在各行各业。
1.2.2 锂离子电池的结构及原理
图1.2.2.1圆柱形锂离子电池结构图
实用的锂离子电池结构与普通的二次电池一样，一般包括以下几个部件：正极、负极、电解质、隔膜、正极接线、负极接线、中心接线柱、绝缘材料、保护阀、PTC（正温度控制端子）、电池壳。如图1.2.2.1所示的圆柱形锂离子电池结构图。此外扣式电池组成大体一样。主要有：正负电极、电解质、隔膜、壳等。之后，为使电子产品轻便化出现方形电池，其容量密度更大，同时最近人们已经研究出锂聚合物电解质电池。以下对电池中的一些结构作简要介绍：
1.正极（或称阴极、cathode）：通常采用工作电压较高，具有氧化性的 Li+离子插入材料。比如含锂的层状氧化物或聚阴离子化合物等。[1]
2.负极（或称阳极、anode）：通常采用工作电压较低，具有还原性的材料。比如石墨[2]、过渡金属氧化物、氮化锂等[3]。
3.电解液（electrolyte）: 通过浸润电极材料，电解液可以达到在正负极之间导通 Li+离子的目的。锂离子电池中常用的电解液通常为溶解了锂盐（LiPF6、LiClO4等）的有机溶剂[4,5]。此外，也有一些锂电池采用固态电解液[6]，从而实现在特定温度下的离子导通。
4.隔膜：在电池物理结构中，尽管正极和负极应完全被电解液浸泡，但为 了防止内部短路现象，电极之间应避免直接接触。因此在实际应用中，电池体系里也会有隔膜用于隔断正负极。隔膜应对电解液具有良好的浸透性[7]。
电池充放电时，锂离子在两极均能够可逆的嵌入和脱出，具有很好的循环性。锂离子的充放电过程可用以下反应（以LiCoO2）简单表示：
图1.2.2.2锂离子电池工作原理示意图
如图1.2.2.2所示，充电时，在外加电场的作用下锂离子从锰锂酸晶格中脱出，进入电解液中，通过电解液穿过隔膜向负极方向迁移。之后，到达负极的锂离子得到电子，发生还原反应，并嵌入到石墨的层状结构中，正极部分则发生氧化反应。在此过程中，外界强制施加的电能转化为化学能。放电时，原来嵌入在石墨层里面的锂失去电子变成锂离子，进入电解液中并穿过隔膜向正极迁移，重新嵌入正极材料中。同时在这一过程中，负极上锂发生氧化反应放出来出来的电子通过外电路到达正极，并在正极发生还原反应，形成回路电流。从而将储存在电池中的化学能转化为电能，为外界提供电势差和能量。

原文链接：http://www.jxszl.com/hxycl/yyhx/6386.html