单晶纳米片结构镍钴锰三元正极材料的制备、表征与改性研究

随着煤、石油以及天然气等化石能源的不断消耗,能源和环境问题已成为全球关注的焦点,可持续、可再生新能源的开发和利用迫在眉睫。锂离子电池作为一种优异的储能装置,由于具有能量密度高、循环寿命长、自放电小等优点,被认为是现代高性能储能电池的代表。为减少化石燃料的消耗与温室气体的排放,电动汽车发展迅速,但动力电池能量和功率密度的不足极大地限制其广泛应用。作为最具发展前景的锂离子电池正极材料之一,镍钴锰三元正极材料虽具有成本适中、比容量高等优点,但也存在一些急需解决的问题,如电子导电率低、高倍率稳定性差等。而单晶镍钴锰三元正极材料不仅能够提高材料高电压下容量的发挥,还可有效改善材料的循环性能、结构稳定性等问题。

本文采用水热法制备单晶纳米片结构镍钴锰三元正极材料的前驱体Ni_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)(OH)_2,通过补充适量锂源、高温煅烧,制得单晶纳米片结构镍钴锰三元正极材料LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2,系统研究煅烧条件中升温速率及气氛对其形貌、结构、电化学性能等的影响,同时利用氟掺杂、氧化铝包覆两种方式进行改性研究,进一步提高材料的电化学性能。

采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、X射线光电子能谱等表征手段对所合成材料的形貌结构进行分析,并通过恒流充放电、循环伏安、交流阻抗等测试方法对材料的电化学性能进行研究。主要研究结论如下:

(1)在800℃下于空气中以每分钟2℃的升温速率煅烧5 h后所得单晶纳米片结构镍钴锰三元正极材料LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2具有较规整的二维六边形纳米片结构,分散性较好,显著提高了材料的结构稳定性,可有效抑制晶格中阳离子混排现象。

(2)通过低温煅烧法对单晶纳米片结构镍钴锰三元正极材料LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2进行氟掺杂,可稳定材料的晶体结构,促进晶体生长,改善材料的结晶性能,氟掺杂量摩尔比为2%时,复合材料LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_(1.98)F_(0.02)的电化学性能最优异。

(3)通过对单晶纳米片结构镍钴锰三元正极材料LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2表面包覆Al_2O_3发现,Al_2O_3涂层可以减少充放电过程中活性物质的损失,缓解在循环过程中电解液与材料之间副反应的发生,其包覆质量比为0.11%时,复合材料Al_2O_3-LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2的倍率性能和循环稳定性最佳。