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LiMO2(M=Co、Ni)具有稳定的电性能,是锂离子电池理想的阴极材料。传统的LiMO2电极材料采用固相烧结方法制备,制造成本高,环境污染大。本文采用SSP(soft solution processing)方法中的重要工艺方法——水热电化学法一步制备出LiMO2薄膜电极,达到了降低材料制造成本、减少环境污染、提高电性能的目的。 本研究首次对水热电化学法制备LiMO2的反应过程进行了热力学计算。热力学计算得到水热电化学法制备LiCoO2和LiNiO2的反应历程分别为: Co→HCoO2-→Co(OH)2(CoO)→CoOOH→LiCoO2 Co(OH)2(sol)→HCoO2-→Co(OH)2(film)→CoOOH→LiCoO2 Ni→Ni(OH)2(NiO,HNiO2-)→NiOOH·H2O→NiOOH→LiNiO2。用循环伏安法模拟了反应过程,确定的反应参数变化范围与热力学计算结果很好地吻合。恒电位实验和XRD分析表明:反应过程中产生HCoO2-、Ni(OH)2、CoOOH、Ni(OH)2和NiOOH等中间产物。进一步验证了反应历程的正确性。 采用水热电化学法制备了具有Rm晶体结构的LiMO2薄膜。当M由Co逐渐变成Ni时,Lils的结合能降低,Co2p的结合能也降低,Ni2p的结合能增加;晶格常数a和c值增大,而c/a值反而减少。LiNiO2薄膜是由网状晶体组成,其它薄膜是由大小均匀的球形晶粒组成。LiMO2薄膜电极为多孔电极,它具有良好的循环伏安性能和使用寿命。 反应参数的变化将影响水热电化学法制备LiMO2薄膜的厚度、晶粒度和应力状态。薄膜厚度随着溶液的pOH值增大而增厚,随着反应时间的延长而增厚,随着电流密度的增加而降低。随着反应温度的增加,薄膜的厚度先增加,当增大至一定值时保持恒定。薄膜的晶粒度随着反应温度、时间、薄膜厚度的增加而增大。薄膜晶粒大小随着电流密度、pOH值的增加而减小。LiMO2薄膜与Co、Ni基体之间的热应力为压应力。随着反应温度和电流密度的增加,薄膜的应力也增加。晶粒度愈小,薄膜的应力愈大。薄膜厚度愈大或晶粒度愈大,薄膜电极的放电容量愈低。 系统地研究了水热电化学法制备LiMO2薄膜的择优取向问题及其对材料电性能的影响。随着温度、电流密度或溶液的pH值的升高,晶体的择优取向为(101)或(104)面。随着反应压力的提高,晶体的择优取向为(0 03)面。薄膜厚度大于1 pm时,薄膜的(101)或 (104)取向性较强,而当薄膜厚度小于1 pm时,薄膜主要为(003)取向。相同条件下,基片Co上易于生成(003)取向的LICoO:薄膜,Ni片上易于生成(101)或(104)取向的LIMO:薄膜。电极间距愈小,愈易生成(101)取向的薄膜。具有(101)取向的薄膜电极具有较好的电化学性能。 由负离子配位多面体模型可知,Q一Co基体上优先形成CoOOH晶核,其生长基元为c。(OH对一络离子;Ni基体上优先形成Ni(O H)2晶核或e。1一xNix(oH):晶核,其生长基元为M(oH)64一络离子;Nio洲钝化层上优先生成Licoo:晶核,其生长基元为co(0H穿一和Li(oH扩-络离子。 生成LIMO:氧化物的相变驱动力峪与过饱和度,呈线性关系。Ni基体上生成LICoO:的界面反应为光滑界面,其生长模式为层状生长。此时晶体生长速率V与驱动力。为指数关系。Co基体上制备LICoO:或Ni基体上制备LINi02、LIColXNixO:薄膜时,由于基体提供中心离子,因而为粗糙界面模型,其生长模式为垂直生长。此时晶体生长速率V与溶液过饱和度。成线性关系。高pOH值溶液中生长的LIMO:晶粒为圆形或不规则形状,而低pOH值溶液中容易生长正六边形晶粒。电场促使阳极附近的络离子浓度提高,从而使阳极附近晶体生长区域的溶液过饱和度大提高,加速了整个反应进程。