噴霧干燥機制備富鋰正極材料及其電化學性能「那艾」

隨著資源的消耗和利用傳統能源產生嚴重的環境污染,人們亟需研究和開發新型能源和儲能技術。鋰離子電池是新一代二次電池,具有比容量高、循環性能好、自放電小、安全性能好等優點已經應用在電子、新能源汽車和航空航天等領域。    相比于理論比容量基本穩定在300 mAh/g以上的鋰電池負極材料,比容量低于200 mAh/g的正極材料是影響鋰電池性能的重要因素之一。傳統的正極材料有：以LiCoO2為代表的層狀正極材料、以LiMn2O4為代表的尖晶石型正極材料和以LiFePO4為代表的橄欖石型正極材料。但是,LiCoO2正極材料的比容量低(160 mAh/g左右)、循環性能差、環境污染較為嚴重；LiMn2O4正極材料的比容量低(150 mAh/g左右)且在充放電過程中錳離子在電解液中發生歧化反應和溶解；LiFePO4正極材料的比容量低(170 mAh/g左右)、Li+傳導率差。因此,亟需開發比容量高、綜合電化學性能優良的新型正極材料。

富鋰正極材料可表示為xLi2MnO3·(1-x)LiMO2(0<x<1,M為Ni、Co、Mn或其組合),其中Li1.2Mn0.54-Ni0.13Co0.13O2的比容量較高(200 mAh/g以上),且可通過體相參雜、表面包覆等改性手段進一步提高。目前,對富鋰正極材料進行預循環處理后其可逆容量在50個循環后由200 mAh/g提高到250 mAh/g[6]；對其進行40%Na2S2O8混合并在300℃退火熱處理后,在0.1C倍率下放電比容量可達285 mAh/g；隨著V2O5包覆量的提高,其庫倫效率明顯提高甚至超過100%。同時,富鋰正極材料還具有良好的循環性能和較高的充電電壓,是傳統正極材料的替代品,也是目前正極材料的主要研究方向之一。

制備富鋰正極材料常用的方法有：溶膠-凝膠法、噴霧干燥法、共沉淀法、固相法、水熱法等。共沉淀法是當前實驗室制備富鋰正極材料的方法,制備出的顆粒分布均勻、可實現原子級別的均勻混合,但是工藝過程復雜繁瑣、粒徑受調漿過程精度的影響較大。而噴霧干燥法工藝流程簡單、得到粒徑較小的顆粒。鑒于此,本文用噴霧干燥法制備富鋰正極材料Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2,研究燒結溫度對其電化學性能的影響。

用噴霧干燥機制備的Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2富鋰正極材料有良好的層狀結構,為得到良好的電化學性能奠定了結構基礎；充分研磨后其顆粒形貌好、團聚少、分散性好,一次顆粒粒徑為100 nm左右,有利于Li+的嵌入和脫嵌。在800℃燒結的富鋰正極材料具有良好的電化學性能。