水热法合成高镍三元正极材料的研究

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锂离子电池具有工作电压高、循环性能好、环境友好等诸多优点,被广泛应用于各类电池储能装置,正极材料对其工作电压、能量密度和功率密度有着重要的影响,是电池研发的重点。具有α-NaFeO2型层状晶体结构的高镍三元正极材料,凭借其较高的能量密度和良好的循环性能等优点,成为近年来研究的热点,但锂镍离子混排严重、材料循环稳定性差等缺点阻碍了其进一步发展应用的进程。本文以水热法合成高镍型锂离子电池三元正极材料,重点研究不同有机物对三元前驱体形貌的影响以及正极材料合成时的工艺参数,并且对NCM、NCA两种高镍三元材料进行共混制备出新型的NCM-NCA型正极材料。采用SEM、XRD、TG及恒电流充放电、循环伏安法等手段来表征和测试所制材料,以探究水热法制备的高镍三元正极材料的性能。首先,采用水热法合成Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2前驱体,探究了不同水热条件(温度、时间)以及添加各类表面活性剂对于前驱体形貌的影响,得出结论为温度170℃反应时间12h时,能够得到形貌均匀,结晶度最高的前驱体材料,阳离子表面活性剂CTAB能够使晶体的结晶度有所提高,但在晶粒尺寸方面影响不大,阴离子表面活性剂抗坏血酸会对前驱体的晶体结晶度造成较大影响,在形貌方面能够使得前驱体生成特殊的比表面积较大的形貌,非离子型表面活性剂琥珀酸二甲酯的添加在提高前驱体的结晶度和降低晶粒大小方面有着积极作用,高聚物型表面活性剂聚乙二醇的添加能够有效的提高晶体的结晶度,大大改善前驱体的微观形貌,能够产生形貌均匀且洁净的球型形貌,添加量在10%时能够制得最佳的前驱体材料。其次,将性能最优的Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2前驱体与Li OH·H2O混合煅烧制得Li Ni0.8Co0.1Mn0.1O2,通过物相分析和电化学分析等手段,探究了烧结温度和时间对三元材料形貌结构和电化学性能的影响,结果表明,前驱体混锂烧结的最佳工艺条件分为两步,第一步在500℃煅烧6h,第二步在800℃煅烧8h,以此条件下制得的Li Ni0.8Co0.1Mn0.1O2形貌最佳,结晶度最高,能够拥有198.5 m Ah·g-1的比容量,在100次充放电循环过后容量保持率仍有96.7%。最后,通过水热法制备了NCA型高镍三元正极材料,和NCM型材料共混得到新型的NCMNCA型高镍三元材料,通过物相分析和电化学分析来确定材料的性能。最终实验成功制备了在0.2C条件下的比容量能够达到160 m Ah·g-1,经过100圈的充放电循环后容量保持率为84.96%的NCA型三元材料,和NCM型三元材料共混后制得的NCM-NCA型三元材料0.2C条件下的比容量能够达到209.6 m Ah·g-1,100次充放电循环后的容量保持率为90.0%。
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