正极材料Li1.25Ni0.2Fe0.13Co0.33Mn0.33O2的聚乙烯醇辅助合成与氟化铵预处理研究

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LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NCM111)是三元正极材料的始祖,其发展历程是先在LiCoO2中掺杂镍元素合成LiNi1/2Co1/2O2,然后在LiNi1/2Co1/2O2中掺杂锰元素合成LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2。就成本来说,价格较低的镍元素和锰元素掺杂替代钴元素降低了三元材料整体价格。三元材料属于α-NaFeO2层状结构,这种结构提供的二维通道可以提高锂离子的脱嵌速率。LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2具有可逆容量高、结构稳定、工作电压较高等优点,但是这种材料首次充放电效率低,锂层中阳离子混排较严重,电子电导率以及锂离子扩散系数小,还存在的问题是随着充放电循环次数增加电极和电解质间会发生副反应导致部分金属离子溶解从而电池性能明显下降。解决上述问题一般使用元素掺杂、构建特殊形貌、表面包覆等手段解决。我们前期曾经做过以空心球壳二氧化锰作自模板,向LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2掺杂定量铁元素替换镍元素合成出具有球壳形貌的LiNi1/3-x/3-x FexCo1/3Mn1/3O2(0.000≤x≤0.267)的相关实验,发现x=0.133为最佳掺杂比例,这种材料的电化学性能表现最好。本论文将对Li1.25Ni0.2Co0.33Fe0.13Mn0.33O2进行深一步研究,第一部分添加不同含量的聚乙烯醇(PVA)来探究其对电池性能的影响;第二部分使用不同摩尔比例氟化铵预处理Li1.25Ni0.2Co0.33Fe0.13Mn0.33O2,探究不同摩尔比例NH4F预处理的区别。本论文中涉及的测试包括XRD测试、SEM测试、EDS测试、TEM测试及电池相关电化学性能测试,并使用RIETAN-FP软件处理XRD测试结果获得相应晶格参数和精修图谱。第一部分使用聚乙烯醇溶胶凝胶法合成Li1.25Ni0.2Co0.33Fe0.13Mn0.33O2探究不同聚乙烯醇用量(PVA=0.0、5.0wt%、10.0wt%、15.0 wt%)对电池性能的影响,经对比测试结果后发现样品PVA-10%具有最好的电池性能,经历50个充放电循环后(倍率0.1C)容量保持率可达到85.8%。第二部分是使用氟化铵预处理Li1.25Ni0.2Co0.33Fe0.13Mn0.33O2,探究不同摩尔比例(正极材料:氟化铵=100:0、95:5、90:10、85:15、80:20)氟化铵预处理对电池性能的影响,对比测试结果发现样品NFCM90具有较好的循环性能和倍率性能,经历50个周期循环后(倍率0.1C)其容量保持率为85.2%。
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