锂离子电池正极材料LiNiO2的制备、改性及电化学性能研究

摘要

锂离子电池由于具有比能量高、无记忆效应、质量轻、自放电小等优点，广泛应用于移动通信设备、电动汽车、国防科技和航空航天等领域，但是，目前锂离子电池的应用仍然受到了一定的限制，主要原因在于制备出合适的正负极材料并不容易。
　　 目前，商用锂离子电池中使用最广泛的仍然是LiCoO2正极材料。但是由于其价格昂贵及高毒性，限制了其的发展。而Ni资源丰富，来源广泛，并且LiNiO2具有较高的理论比容量、自放电低等优点，因而被人们视为是有潜力取代LiCoO2的几种材料之一。但是，LiNiO2仍然具有缺点，主要包括:(1)合成符合化学计量比的LiNiO2并不容易;(2)层状结构在充放电过程中不稳定，造成其循环性能不佳。为克服这些缺点，人们也做了大量的相关工作。本论文旨在解决LiNiO2的合成难题，并在此基础上对其进行掺杂改性研究，以期提高其电化学性能。通过查阅相关文献，以三价镍化合物作为前驱体，用低温固相法制备出了近似化学计量比的LiNiO2材料，同时对制备出的LiNiO2材料进行了掺杂改性的研究，得出的相关结论如下:
　　 1、合成了结晶程度较高和电化学性能较好的LiNiO2材料。首先通过化学氧化法制备出羟基氧化镍，与LiOH·H2O按一定比例混合制成前驱体，在600℃下煅烧15h后得到LiNiO2粉末。通过XRD、SEM等物理表征手段，发现制备出的样品化学计量式为Li0.92Ni1.08O2，其表面形貌为球形，颗粒大小约为400nm左右，通过恒流充放电测试发现，在28mAh g-1的放电密度下，材料的首次放电比容量可以达到122mAhg-1。
　　 2、初步探索了LiNi0.7Co0.3O2的制备方法及其电化学性能。采用化学氧化法制备出了Ni0.7Co0.3OOH，与LiOH·H2O按一定比例混合后得到前驱体，在600℃下煅烧制备出LiNi0.7Co0.3O2，XRD分析显示其特征峰能与标准卡片对应，SEM表征发现其呈现不规则的片状颗粒，且有一定程度的团聚。恒流充放电测试表明，在28mAh g-1的电流密度下，LiNi0.7Co0.3O2的首次放电比容量达到了155mAhg-1，相对于LiNiO2有所提高，在140mAh g-1的电流密度下，容量保持率下降了50％左右，相比LiNiO2有所下降，这可能是由于:(1)制备出的材料层状结构不稳定;(2)电池制作工艺不佳，导致材料从集流体上脱附下来造成电池性能的下降。
　　 3、在制备出LiNiO2的基础上，用La元素对其进行掺杂改性，制备出了LiLaxNi1-xO2，并对其物理性质和电化学性能进行了表征与测试。结果表明，在LiNiO2中掺入少量La元素有助于改善材料的层状结构、减小其颗粒大小，从而提高材料的电化学性能。通过XRD表征发现，LiLa0.01Ni0.99O2和LiLa0.02Ni0.98O2的层状结构相对LiNiO2来说均有所提高，同时SEM图上显示在掺入少量的La元素后，材料仍然呈球形，表面更粗糙且颗粒更小。恒流充放电测试表明，LiLa0.01Ni0.99O2和LiLa0.02Ni0.98O2的首次放电比容量均比LiNiO2材料有所提高，在28mAh g-1的电流密度下，分别达到了131.9mAh g-1和129.8mAh g-1，循环性能也有所提高，经过40个循环后，容量保持率仍然有73.9％、88.3％。对LiLa0.01Ni0.99O2进行交流阻抗测试和等效电路模拟发现，掺入La元素后，材料的阻抗明显变小，导电性得到增强。

目录

声明

摘要

第1章 文献综述

1．1 锂离子电池概述

1．2 锂离子正极材料的概述

1．2．1 锂离子正极材料的研究现状

1．2．2 层状化合物LiMO2

1．2．3 尖晶石化合物LiM2O4

1．2．4 橄榄石型化合物LiMPO4

1．3 锂离子电池负极材料的概述

1．3．1 锂离子电池负极材料的研究现状

1．3．2 炭材料

1．3．3 锂合金材料

1．3．4 金属氧化物

1．4 本文的主要研究内容和目的

1．5 本论文的创新点

第2章 实验药品、方法及原理

2．1 实验药品和试剂

2．2 实验主要仪器和设备

2．2．1 马弗炉

2．2．2 真空干燥箱

2．2．3 手套箱

2．2．4 LAND电池测试系统

2．3 电池装配

2．3．1 极片制备的方法

2．3．2 隔膜和电解液

2．4 材料的表征与电化学性能测试方法

2．4．1 X-射线衍射分析

2．4．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．4．3 热重分析(TG-DTA分析)

2．4．4 恒电流充放电测试法

2．4．5 交流阻抗测试

2．4．6 循环伏安(CV)测试

第3章 LiNiO2的制备及其电化学性能测试

3．1 概述

3．2 羟基氧化镍(NiOOH)的制备

3．3 LiNiO2的制备与表征

3．4 LNO的电化学性能测试

3．4．1 恒流充放电测试

3．4．2 LNO的CV测试

3．5 本章小结

第4章 掺杂改性的LiNiO2材料的合成与电化学性能测试

4．1 概述

4．2 材料LiNi0．7Co0．3O2的合成、表征及电化学测试

4．2．1 Ni0．7Co0．3OOH的合成

4．2．2 LiNi0．7Co0．3O2的合成过程

4．2．3 XRD分析

4．2．4 扫描电镜(SEM)分析

4．2．5 恒流充放电测试

4．3 掺杂La元素的LiNiO2材料的合成、表征及电化学测试

4．3．1 材料的合成过程

4．3．2 TG-DTA分析

4．3．3 反应温度的影响

4．3．4 扫描电镜(SEM)分析

4．3．5 不同La掺杂量对材料的影响

4．3．6 恒流充放电测试

4．3．7 交流阻抗测试

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 进一步工作

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果