富锂层状氧化物正极材料的制备及聚吡咯包覆改性研究

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随着电动汽车行业的发展,传统锂离子电池正极材料已无法满足要求。富锂层状氧化物由于其高容量、高工作电压、低成本和高安全性等优点,已成为下一代高能量密度锂离子电池正极材料的候选者,但其面临在循环过程中电压和容量衰减的重大挑战。为解决上述问题,本论文开展了用溶胶-凝胶法和共沉淀法合成Li1.2Ni0.32Co0.04Mn0.44O2,并对其进行了 PPy包覆改性研究,研究成果如下:采用溶胶-凝胶法合成Li1.2Ni0.32Co0.04Mn0.44O2,经工艺优化,当pH=5,螯合剂与金属盐比例为1:1.5,煅烧温度为850℃时,合成的富锂层状氧化物正极材料的电化学性能最佳。在0.05,1和5C的放电比容量分别为232.7,178.1,132.8mAh·g-1,1C循环100次后,比容量保持率为84.8%,电压衰减得到抑制。研究表明,一次颗粒的团聚体较小,团聚程度低,元素分布均匀,有助于增强层状结构稳定性,抑制容量和电压衰减。采用草酸盐共沉淀法合成Li1.2Ni0.32Co0.04Mn0.44O2,经工艺优化,当pH=6.6,过渡金属盐溶液和络合沉淀剂溶液的进料速度为3:6 ml/min,过渡金属盐和络合剂的比为1:2.0,煅烧温度为800℃时,合成的富锂层状氧化物正极材料的电化学性能最佳。在0.05,1和5C的放电比容量分别为261.6,184.6,138.0 mAh·g-1,1C循环100次之后,电压衰减216 mV,保持率为94.1%,比容量衰减10.6 mAh·g-1,保持率为94.2%。研究表明,元素分布均匀,有助于提高层状结构稳定性,具有一次颗粒团聚紧密的多孔球形结构,有助于增强结构稳定性,减缓电压和容量衰减。采用化学氧化聚合法,在Li1.2Ni0.32Co0.04Mn0.44O2表面包覆导电聚合物PPy,PPy的包覆量为2wt%的富锂层状氧化物正极材料的电化学性能最佳。在0.05,1和10C的放电比容量分别为255.7,186.3,123.5 mAh·g-1,1C循环150次后,电压衰减226 mV,保持率为93.8%,比容量衰减19.1 mAh·g-1,保持率为89.7%。研究表明,PPy包覆层一方面作为导电层,提高材料的电子电导率,提升正极材料的倍率性能;另一方面作为保护层,抑制正极材料与电解液的副反应,提高表面层状结构的稳定性,提升长循环性能。
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