隨著煤、石油以及天然氣等化石能源的不斷消耗,能源和環境問題已成為全球關注的焦點,可持續、可再生新能源的開發和利用迫在眉睫。鋰離子電池作為一種優異的儲能裝置,由于具有能量密度高、循環壽命長、自放電小等優點,被認為是現代高性能儲能電池的代表。為減少化石燃料的消耗與溫室氣體的排放,電動汽車發展迅速,但動力電池能量和功率密度的不足極大地限制其廣泛應用。作為最具發展前景的鋰離子電池正極材料之一,鎳鈷錳三元正極材料雖具有成本適中、比容量高等優點,但也存在一些急需解決的問題,如電子導電率低、高倍率穩定性差等。而單晶鎳鈷錳三元正極材料不僅能夠提高材料高電壓下容量的發揮,還可有效改善材料的循環性能、結構穩定性等問題。

本文采用水熱法制備單晶納米片結構鎳鈷錳三元正極材料的前驅體Ni_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)(OH)_2,通過補充適量鋰源、高溫煅燒,制得單晶納米片結構鎳鈷錳三元正極材料LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2,系統研究煅燒條件中升溫速率及氣氛對其形貌、結構、電化學性能等的影響,同時利用氟摻雜、氧化鋁包覆兩種方式進行改性研究,進一步提高材料的電化學性能。

采用X射線衍射、掃描電鏡、透射電鏡、X射線光電子能譜等表征手段對所合成材料的形貌結構進行分析,并通過恒流充放電、循環伏安、交流阻抗等測試方法對材料的電化學性能進行研究。主要研究結論如下:

(1)在800℃下于空氣中以每分鐘2℃的升溫速率煅燒5 h后所得單晶納米片結構鎳鈷錳三元正極材料LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2具有較規整的二維六邊形納米片結構,分散性較好,顯著提高了材料的結構穩定性,可有效抑制晶格中陽離子混排現象。

(2)通過低溫煅燒法對單晶納米片結構鎳鈷錳三元正極材料LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2進行氟摻雜,可穩定材料的晶體結構,促進晶體生長,改善材料的結晶性能,氟摻雜量摩爾比為2%時,復合材料LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_(1.98)F_(0.02)的電化學性能最優異。

(3)通過對單晶納米片結構鎳鈷錳三元正極材料LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2表面包覆Al_2O_3發現,Al_2O_3涂層可以減少充放電過程中活性物質的損失,緩解在循環過程中電解液與材料之間副反應的發生,其包覆質量比為0.11%時,復合材料Al_2O_3-LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2的倍率性能和循環穩定性最佳。