【摘 要】
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化学能与电能的转换材料和器件是当前研究热门对象,其中锂离子电池具有比容量高、重量轻、体积小、环境友好、使用寿命较长、安全性能高等特点,吸引众多科研工作者为之展开研究,具有广泛的应用前景。但是,随着科学技术的发展,现如今传统的商用锂离子电池能量密度和循环性能已经无法满足人们对于3C电子设备的使用需求。因此,亟需开发新型的具有高能量密度和循环稳定性的电极材料。正极材料的性质是限制锂离子电池发展的重要因
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化学能与电能的转换材料和器件是当前研究热门对象,其中锂离子电池具有比容量高、重量轻、体积小、环境友好、使用寿命较长、安全性能高等特点,吸引众多科研工作者为之展开研究,具有广泛的应用前景。但是,随着科学技术的发展,现如今传统的商用锂离子电池能量密度和循环性能已经无法满足人们对于3C电子设备的使用需求。因此,亟需开发新型的具有高能量密度和循环稳定性的电极材料。正极材料的性质是限制锂离子电池发展的重要因素,富锂材料这一类新型的锂离子电池正极材料具备较高的理论比容量值,且其合成原料丰富,生产成本便宜,安全性能高,被视为新一代锂离子电池正极材料。其中一种富锂材料Li2Mn O3·LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2具有稳定微观结构,能够有效发挥Ni、Co、Mn三种元素的协同效应。但是,Li2Mn O3·LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2循环过程中会发生氧释放,易与电解液发生副反应,平均电压损失严重,这些缺点限制了其实际应用发展。本文针对Li2Mn O3·LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料的缺点,通过材料表面修饰,分别成功制备经过表面氧空位和磷酸钒钠修饰的富锂材料。相较于未经任何处理的原始Li2Mn O3·LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2,改性后材料具备较高的比容量和倍率循环性能。主要创新性研究成果如下:(1)分步使用恒温共沉淀法和氧气氛围高温固相法制备出碳酸盐前驱体(TMCO3)和富锂材料Li2Mn O3·LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(PLR-NCM)。之后,将PLR-NCM放置于真空管中,在室温条件下与高纯CO2气体发生固-气两相反应,成功制备经表面氧空位修饰的富锂材料(MLR-NCM)。该处理方式简单易行,具有创新性,可大规模产出。基于PLR-NCM,经过柠檬酸水洗和磷酸钒钠原料混合处理,在惰性气体保护下高温处理,即便得到经磷酸钒钠修饰的富锂材料。(2)表面氧空位修饰的富锂材料MLR-NCM相较于PLR-NCM,具备更加优良的容量性能和循环性能。在高温条件下,电流密度0.1 C,其首次放电比容量高达321 mAh g-1;具有良好的倍率性能和长循环稳定性(在电流密度1.0 C下,基于半电池测试,循环200圈仍具有~220 mAh g-1)。全电池的成功组装及测试,给MLR-NCM应用于实际带来可能性:基于全电池,在电流密度1.0 C下,循环250圈,比容量保有146 mAh g-1;在电流密度2.0 C下,循环500圈,仍能保留122 mAh g-1放电比容量。(3)3 wt.%和5 wt.%磷酸钒钠修饰的富锂材料LR-NCM@3NVP和LR-NCM@5NVP最高分别能够到达321.9 mAh g-1和334.1 mAh g-1,远远高出原始富锂材料比容量。倍率性能方面,LR-NCM@3NVP和LR-NCM@5NVP均能维持在比较高比容量的水平,性能方面强于PLR-NCM。基于全电池测试,LR-NCM@5NVP最高也可以达到203 mAh g-1。磷酸钒钠修饰富锂材料,可以同时达到部分表面包覆和离子掺杂等效应。(4)引入原位XRD的测试技术,实时监测材料在充放电过程中的结构变化,观测材料在首圈充放电过程的释氧状况,证明氧空位修饰材料可以有效抑制氧气释放。
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