文档介绍：中南民族大学
硕士学位论文
锂离子电池正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的合成与改性
姓名:谭龙
申请学位级别:硕士
专业:高分子化学与物理
指导教师:刘浩文
2011-05
中南民族大学硕士学位论文
摘要

层状 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 被认为是集 LiNiO2、LiCoO2 和 LiMn2O4 三种材料优
点于一身的优异正极材料,其具有高容量、良好的热稳定性和化学稳定性以及比
主流正极材料 LiCoO2 更低廉的成本、更小的毒性等优点,是替代 LiCoO2 的主
要正极材料之一。本文分别用共沉淀法和固相法合成了 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2,并
通过 ZnO 包覆、过量锂的掺杂对共沉淀产物进行改性以及自制纳米棒α-MnO2
为 Mn 源改善固相合成工艺,并得到良好的结果。利用 X-射线衍射仪(XRD)、
透射电子显微镜(TEM)、场致发射扫描电子显微镜(SEM)、X-射线光电子能
谱(XPS)、电感耦合等离子体发射光谱、电化学交流阻抗(EIS)以及充放电测
试仪对所合成 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 及共沉淀法改性产物进行了表征。系统研究了
ZnO 包覆、锂掺杂和不同原材料固相合成对 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 组成、形貌、结
构以及电化学性能的影响,并通过表征结果深入分析总结了各方面因素和材料电
化学性能之间的关系。
第 1 章介绍了 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 的研究进展和意义。对材料结构、合成方
法、改性方法以及应用领域作出概括的同时,对 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 的发展作出
了展望。
第 2 章主要介绍了本文所用仪器的原理和应用领域,并对电极的制备和电池
的组装过程作了详细介绍。
第 3 章研究了 ZnO 包覆对 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 正极材料结构、表面组成、形
貌以及电化学性能的影响。XRD 结果显示,初始产物和 ZnO 包覆产物均具有纯
相六方α-NaFeO2 结构,包覆措施使产物晶格参数发生变化。从 SEM 和 TEM 图
像可以得出 ZnO 成膜状(20 nm)包覆在初始产物表面,并使材料形貌发生改变。
- V 、 70 mA·g-1 条件下恒流充放电测试结果表明,ZnO 膜在降低
LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 初始容量的同时,显著的改进了其循环性能。EIS 分析显示,
初始容量降低的原因在于 ZnO 膜为惰性物质,增加了表面膜阻抗。
第 4 章研究了锂掺杂产物 Li8/7(Ni1/3Co1/3Mn1/3)6/7O2 的化学组成、结构、形貌
及其高倍率电化学性能。XPS 结果表明,与 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 不同,该材料中
2+ 3+
的 Ni 被转换为 Ni 。XRD 结果显示,Li8/7(Ni1/3Co1/3Mn1/3)6/7O2 具有高度有序的
层状结构。透射电子显微镜图像说明产物是由纳米级和亚微米级颗粒组成,平均
粒径约为 μm。该材料在 1000 mA·g-1 和 2000 mA·g-1 (- V)高倍率条
件下分别进行恒流充放电并得到优异的初始容量和循环性能,加上其分别为 6 分
钟和 3 分钟左右的平均满充时间,解决了锂离子动力电池实际应用中的一个主要
问题,是一种优异的锂离子动力电池正极材料。
第 5 章研究了所购买分析纯 MnO2 和自制纳米棒 MnO2 作为原材料以及煅烧
温度对固相合成 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 的影响,并对所合成产物进行了高倍率恒流
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充放电测试。XRD 结果显示,以所购买分析纯 MnO2 为 Mn 源合成所得产物为含
杂质 NiO 的 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2,以纳米棒 MnO2 为锰源和 NiO、Co2O3、Li2CO3
混合在 850-900 ℃温度下进行煅烧可得纯相 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2。该材料在 -
V、1000 mA·g-1 条件下进行恒流充放电得到较好的初始容量和循环性能同时,同
样具有较短的满充时间(~6 分钟),说明以纳米棒 MnO2 为 Mn 源的合成工艺有
利于促进合成适合锂离子动力电池的纯相 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 正极材料。
关键词:锂离子电池;正极材料;包覆;掺杂;高倍率;LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2

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