水热法合成高镍三元正极材料的改性研究

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高镍三元正极材料Li Ni0.8Co0.1Mn0.1O2具有较高的理论比容量(280m Ah/g),是新能源汽车理想的正极材料。但是三元锂离子正极材料存在锂镍混排,循环稳定性差以及原材料价格过高等缺点,严重限制了其进一步的发展应用。为解决此问题,本论文从影响的因素入手,分别研究了络合剂、表面活性剂、锂源、以及烧结工艺对高镍三元材料的影响,并通过XRD、SEM、TG、电化学工作站、蓝电系统等测试手段,研究这些因素与结构、形貌和性能的关系,获得了高镍三元正极材料较佳的制备方法。以硫酸镍、硫酸钴、硫酸锰为材料按照8:1:1的摩尔比例,根据络合剂的络合机理,探究了草酸、氨水、柠檬酸三种络合剂对前驱体的影响,并着重研究了氨水的用量对制备的产物的影响,此外还研究了不同HLB值的表面活性剂对水热法合成制备的前驱体的形貌的影响,得出结论为,采用氨水作为络合剂,且氨盐比为1:2,得到的前驱体结构稳定,结晶度高;采用HLB值为12的OP7表面活性剂能够改善材料的微观形貌,提高粒子的完整性,获得纯度较高的前驱体材料。选用了Li2CO3和Li OH·H2O两种锂源,与制备出的性能形貌较好的前驱体材料混合煅烧,制得三元正极材料Li Ni0.8Co0.1Mn0.1O2。对其进行物相分析和电化学测试,结果表明:当锂源选用Li2CO3时,所制得的三元正极材料的结晶度高,锂镍混排不明显。具有较高的首次充放电比容量和倍率性能,100圈后放电容量的保持率也能达到95.28%。进一步探究不同的煅烧温度和时间对正极材料的影响,经过多组实验,得出最佳的工艺参数为煅烧温度850℃,煅烧时间8h,获得的正极材料成球性好,锂镍混排程度低,结晶度高,组装成电池测得其在0.2C倍率下的首次充放电比容量为196.1m Ah·g-1和191.4 m Ah·g-1。高于其他煅烧温度和时间条件下的正极材料的电容量,循环100圈后的容量保持率为96.29%,具有优异的电化学性能。采用水热法制备四种新型无钴正极材料(Li Ni0.8Zn0.1Mn0.1O2、Li Ni0.8Cr0.1Mn0.1O2、Li Ni0.8Cd0.1Mn0.1O2、Li Ni0.8Zr0.1Mn0.1O2),发现使用Zr元素替代Co元素制备的三元材料具有较高的比容量,而其他三种无钴正极材料的充放电比容量十分低。对制备合成的Li Ni0.8Zr0.1Mn0.1O2正极材料进行改性研究,添加效果较好的OP7表面活性剂,发现其循环保持率和放电比容量均有所上升。其首次放电比容量达到182.3 m Ah/g,100圈后的循环保持率也能达到95.72%,具有较优的电化学性能。
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