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锂离子电池Li-Co-O体系正极材料的合成、改性及电化学性能研究

作　者: 韦旎妮
导　师: 赖琼钰
学　校: 四川大学
专　业: 无机化学
关键词: 锂离子电池正极材料 LiCoO2 LiCo1-yAlyO2 LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2 包覆改性电化学性能
分类号: TM911
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

锂离子电池作为新一代绿色环保电池,已经成为摄像机、移动电话、笔记本电脑以及便携式测量仪器等电子装置小型轻量化的最佳电源,也是未来电动汽车用轻型高能动力电池的首选电源。而锂离子电池正极材料是制约电池整体性能的关键。目前商品化的锂离子电池采用的正极材料主要为层状LiCoO₂,它具有生产工艺简单,材料性能好、电压高、放电平稳、循环性能优良等优点。但其存在比容量只有理论比容量的60%～70%,钴资源匮乏,价格昂贵,材料的热稳定性一般以及抗过充能力差等缺点。针对这些问题,本文在研究LiCoO₂的基础上,对LiCoO₂材料进行了单种金属离子掺杂和多元素掺杂;以及对正极材料进行表面包覆改性。建立了对原料及产物的元素分析的方法。通过XRD,TG-DTA,IR,XPS,SEM 等手段对产物进行了表征和电化学性能测试。通过半固相法、湿法和溶胶-凝胶法在不同的条件下合成LiCoO₂正极材料,并对其进行了XRD 物相分析、TG-DTA 以及XPS 表征,结果表明,合成的LiCoO₂为单相层状结构,溶胶-凝胶法大大降低烧结温度和时间;以自制的CoOOH 为钴源,LiOH·H₂O 为锂源通过半固相法制备LiCoO₂,也比传统的固相法节能省时。通过一系列不同pH 值酸液浸渍LiCoO₂考察了LiCoO₂结构的稳定性,发现Li 在结构中是很不稳定的,作为结构骨架的Co³⁺则相对稳定,溶液pH>5 以后LiCoO2结构是较稳定的。为了避免LiCoO₂材料表面附着的碱对材料性能的直接影响,通过简单可行的蒸馏水浸洗的方法使浸洗后的材料其循环效率提高了将近30%。另外,建立了酸碱滴定法、EDTA 络合法、比色法等简便的方法对原料及产物的Li、Co 含量进行分析,方法准确有效。选用了非过渡金属元素Al 对LiCoO₂进行掺杂,不但使LiCo1-yAlyO₂材料比

全文目录

中文摘要  6-8
英文摘要  8-11
第一章锂离子电池概述  11-26
  1.1 引言  11
  1.2 锂离子电池的诞生和发展过程  11-13
  1.3 锂离子电池结构及工作原理  13-14
  1.4 锂离子电池材料概述  14-24
    1.4.1 锂离子电池负极材料  15-17
    1.4.2 电解质和隔膜  17-18
      1.4.2.1 电解质  17
      1.4.2.2 隔膜  17-18
    1.4.3 锂离子电池正极材料  18-24
      1.4.3.1 锂离子正极材料的合成方法  19-20
      1.4.3.2 LiCoO_2体系  20-22
      1.4.3.3 LiNiO_2体系  22
      1.4.3.4 尖晶石LiMn_2O_4体系  22-23
      1.4.3.5 橄榄石型LiFePO_4  23-24
  1.5 选题意义与研究内容  24-26
第二章层状LiCoO_2正极材料的研究  26-38
  2.1 引言  26-27
  2.2 LiCoO_2正极材料的合成表征及电化学性能研究  27-32
    2.2.1 实验部分  27-29
      2.2.1.1 LiCoO_2正极材料的合成  27-28
      2.2.1.2 酸度对LiCoO_2结构稳定性影响实验  28
      2.2.1.3 产物表面碱性对LiCoO_2结构和电化学性能影响实验  28
      2.2.1.4 产物的表征与测试  28
      2.2.1.5 产物的电化学性能测试  28-29
    2.2.2 结果与讨论  29-32
      2.2.2.1 XRD 分析  29-30
      2.2.2.2 TG-DTA 分析  30
      2.2.2.3 XPS 分析  30-31
      2.2.2.4 酸度对LiCoO_2结构稳定性影响  31-32
      2.2.2.5 产物表面碱性对LiCoO_2结构和电化学性能影响  32
  2.3 测定原料及LiCoO_2中Li、Co 含量分析方法的建立  32-37
    2.3.1 酸碱滴定法对原料中Li 含量的分析  33-34
    2.3.2 络合滴定法对原料和产物中Co 含量的分析  34-35
    2.3.3 二乙烯三胺直接比色法对LiCoO_2中Co 含量的测定  35-37
  2.4 本章小结  37-38
第三章 Al元素掺杂对LiCoO_2材料结构及电化学性能的影响  38-45
  3.1 引言  38-39
  3.2 实验部分  39
    3.2.1 LiCo_(1-y)Al_yO_2 (y=0.1,0.2,,……0.6)的合成  39
    3.2.2 材料的表征与电化学性能测试  39
  3.3 结果与讨论  39-44
    3.3.1 XRD 分析  39-43
      3.3.1.1 Al元素掺杂对LiCo_(1-y)Al_yO_2结构相变的影响  39-40
      3.3.1.2 Al元素掺杂对LiCo_(1-y)Al_yO_2材料结构的影响  40-41
      3.3.1.3 Al元素掺杂对LiCo_(1-y)Al_yO_2结构的晶胞参数的影响  41-43
    3.3.2 电化学性能分析  43-44
  3.4 本章小结  44-45
第四章层状LiCo_(1/3)Ni_(1/3)Mn_(1/3)O_2正极材料的研究  45-56
  4.1 引言  45
  4.2 实验部分  45-46
    4.2.1 LiCo_(1/3)Ni_(1/3)Mn_(1/3)O_2的合成  45-46
    4.2.2 材料的表征与测试  46
    4.2.3 电化学性能测试  46
  4.3 结果与讨论  46-55
    4.3.1 XRD 分析  46-48
    4.3.2 TG-DTA 分析  48
    4.3.3 IR 分析  48-49
    4.3.4 SEM 分析  49-50
    4.3.5 电化学性能分析  50-52
      4.3.5.1 电池充放电测试  50-51
      4.3.5.2 循环伏安测试  51-52
    4.3.6 XPS 分析  52-55
  4.4 本章小结  55-56
第五章层状LiCo_(1/3)Ni_(1/3)Mn_(1/3)O_2正极材料表面包覆改性的研究  56-63
  5.1 引言  56-57
  5.2 实验部分  57-58
    5.2.1 TiO_2对LiCo_(1/3)Ni_(1/3)Mn_(1/3)O_2的包覆  57
    5.2.2 AlPO_4对LiCo_(1/3)Ni_(1/3)Mn_(1/3)O_2的包覆  57
    5.2.3 LiCoO_2对LiCo_(1/3)Ni_(1/3)Mn_(1/3)O_2的包覆  57-58
    5.2.4 材料的表征与电化学性能测试  58
  5.3 结果与讨论  58-62
    5.3.1 TiO_2对LiCo_(1/3)Ni_(1/3)Mn_(1/3)O_2包覆的结果与讨论  58-61
      5.3.1.1 产物的XRD 分析  58-59
      5.3.1.2 产物的SEM 分析  59
      5.3.1.3 产物的电化学性能分析  59-61
    5.3.2 AlPO_4对LiCo_(1/3)Ni_(1/3)Mn_(1/3)O_2包覆的电化学性能结果  61
    5.3.3 LiCoO_2对LiCo_(1/3)Ni_(1/3)Mn_(1/3)O_2包覆的电化学性能结果  61-62
  5.4 本章小结  62-63
第六章结论和展望  63-67
  6.1 主要结论  63-65
  6.2 今后工作展望  65-67
参考文献  67-70
声明  70-71
致谢  71

锂离子电池Li-Co-O体系正极材料的合成、改性及电化学性能研究

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