富锂层状正极材料的结构调控及其电化学性能研究
文献类型：期刊论文
| 作者 | 郭皓诚 |
| 刊名 | 中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)
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| 出版日期 | 2017 |
| 页码 | 115 |
| 关键词 | 锂离子电池 富锂锰基正极材料 电压衰减 结构转变 多相结构 |
| 产权排序 | 中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所) |
| 英文摘要 | 富锂锰基层状正极材料(以下简称富锂材料)因其超高的可逆比容量(可超过250 mAh g~(-1)),而被认为是最具潜力的下一代锂离子电池正极材料。然而,这种材料却也存在诸多限制,如首次库伦效率较低,倍率性能欠佳,循环稳定性较差以及电压衰减问题等。其中,“电压衰减”问题现被普遍认为是制约富锂材料商业化发展的根本症结所在。这一问题与材料结构转变相关(本征属性),因此对其改性必须从体相结构入手。本论文从原子层面(离子掺杂)和相层面(构筑多相结构体系)对本征富锂材料进行结构调控,改善了上述缺陷并对其电化学性能进行了优化,同时从热力学的角度出发,对该材料结构转变(及电压衰减)的驱动力问题进行了探索。具体内容如下:(1)富锂正极材料的铝掺杂改性研究使用溶胶凝胶法将Al~(3+)引入富锂材料Li_(1.14)(Ni_(0.136)Co_(0.136)Mn_(0.544))O_2以稳定其晶格结构。X射线衍射的精修及透射电子显微技术结果证明了Al~(3+)对Co~(3+)的精确取代及其相应影响主要作用于菱方相成分。改性后,铝掺杂的样品展现出循环性能的提升,其100周循环后容量保持率可达94.7%,最重要的是,所述改性可有效改善电压衰减现象。X射线衍射及拉曼光谱分析表明,所述改性可阻碍类尖晶石相自由生长。这些结果证实,在不影响富锂材料单斜成分情况下,仅对于其菱方相成分的调控也可显著稳定材料晶格。(2)富锂材料结构转变及电压衰减起源研究离子掺杂是应对富锂材料电压衰减问题的有效手段,然而由于改性机理的不明朗限制了更多潜在技术的开发。本文以富锂材料Li_(1.14)(Ni_(0.136)Co_(0.136)Mn_(0.544))O_2及其掺杂组分为对象,研究了富锂材料电压不稳定性与热力学行为间的关系。系统的热分析测试及电化学结果综合表明,体系能量的演化与结构和电压的演化同步,因而富锂材料循环中的结构转变极可能由“体系过剩自由能的产生及释放”所推动。惰性离子掺杂可显著抑制材料体系过剩能量的升高,及后续结构重排的发生,从而实现对电压衰减问题的改善。这项发现对于揭示结构转化和电压衰减的本质具有重要意义。(3)富锂材料近似稳定多相结构的离线构筑研究长期电化学作用下,富锂材料经历大幅结构重排可演化出一种层状/尖晶石混合状态,这种结构后续变化极小,热力学上近似稳定,因而电压衰减甚微。本章报道的离子交换法及后续热处理,通过简单控制[H~+]_(aq)/[Li~+]_s比例,制造了锂和氧空位,调节了结构中层状/尖晶石组成和分布,并有效改善了材料电化学性能(首次效率,倍率,放电电压等)。结果表明所构筑的最优多相结构具有表面择优、体相弥散的分布,且达到预期“近似稳定”状态(DSC分析证明)。最重要的是,PE05A可在不显著牺牲放电容量的前提下,大幅提升电压稳定性,其放电比容量可达272.2 mAh g~(-1)(2.0-4.8 V,25 mA g~(-1)),效率接近100%,即使在200周的超长循环中(2.0-4.6 V,50 mA g~(-1)),其平均电压下降速度仅0.75 mV/周(原始组分1.72 mv/周)。研究成果将有助于推动富锂材料真正的商业化。 |
| 公开日期 | 2018-12-04 |
| 源URL | [http://ir.nimte.ac.cn/handle/174433/16708]  |
| 专题 | 2017专题 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 郭皓诚. 富锂层状正极材料的结构调控及其电化学性能研究[J]. 中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所),2017:115. |
| APA | 郭皓诚.(2017).富锂层状正极材料的结构调控及其电化学性能研究.中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所),115. |
| MLA | 郭皓诚."富锂层状正极材料的结构调控及其电化学性能研究".中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所) (2017):115. |
入库方式： OAI收割
来源：宁波材料技术与工程研究所
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