淺談鋰離子電池高鎳三元正極材料

淺談鋰離子電池高鎳三元正極材料摘要：本文主要對鋰離子電池高鎳三元正極材料進一步分析了解。鋰離子電池的飛速發(fā)展、新能源汽車的工業(yè)化趨勢，帶動了高能量密度、安全性高且成本低廉的電極材料的研發(fā)。在正極材料中，高鎳三元材料由于具有這一系列的優(yōu)點而得到了廣泛的關注。關鍵詞：鋰離子電池；高鎳；三元正極材料引言：隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，人類對于能源的需求不斷增加，傳統(tǒng)化石能源也隨著時間的推移而逐漸耗盡。傳統(tǒng)化石能源在使用過程中對環(huán)境的影響越來越不可忽視，全球氣溫變暖，空氣質量的下降很大程度上都與化石能源的燃燒有關。因此，開發(fā)新型的清潔可再生能源具有十分重要的意義?；瘜W電源作為一種儲能轉換裝置，在目前人們的日常生活中起著至關重要的作用。鋰離子電池由于其高能量密度，高功率密度，環(huán)境友好性而得到了廣泛的研究。鋰離子電池也已被廣泛的應用在交通運輸、儲能轉換、醫(yī)療設施與航空航天等多個領域。一、鋰離子電池的概述鋰離子電池是一種二次電池(充電電池)，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時,Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。鋰離子電池是一種濃差電池，其正極和負極可進行鋰離子可逆的脫出和嵌入，正極通常是高電位鋰和過渡金屬的氧化物，負極通常是低電位嵌鋰化合物。鋰離子電池以碳素材料為負極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時伴隨著與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌。在充放電過程中，鋰離子在正、負極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為“搖椅電池”。二、三元正極材料的概述到目前為止最先進的可充電電池就是鋰離子電池，1991年索尼集團把鋰電池技術推向了世界，一直以來電池材料的不斷進步成為推動鋰電池技術向前發(fā)展的動力之一，先進的電極材料成為了鋰電池更新?lián)Q代的關鍵技術。鈷酸鋰電池的正極材料是鉆酸鋰LiCoO2，三元材料則是鎳鉆錳酸鋰Li(NiCoMn)02,三元復合正極材料前驅體產品，是以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料，里面鎳鈷錳的比例可以根據(jù)實際需要調整，三元材料做正極的電池相對于鈷酸鋰電池安全性高，鈷酸鋰和三元材料都是良好的鋰電池正極材料，但是其化學特性各有差異，因此，針對其不同的化學特性，應用領域也有所不同。LiCoO2由于生產工藝簡單、壓實密度高電化學性能較好等優(yōu)勢最先實現(xiàn)商品化，即使有眾多新材料的涌現(xiàn)，它仍然占有一定鋰電池材料的場份額。但是鈷資源缺乏，價格昂貴，使其只能在小電池上得到應用，并且鈷具有放性，污染環(huán)境，LiCoO2固相合成時反應物難以混合均勻，需要較高的煅燒溫度和較長的反應時間，鈷酸鋰電池的實際比容量只有理論比容量的50%左右，電池的循環(huán)壽命和安全性能差，而且成本無法降下來，限制了鈷酸鋰在鋰電池領域的大規(guī)模使用。三、鋰離子電池正極材料分析正極材料是鋰離子電池中最為重要的一部分之一，正極材料的性能在很大程度上限制了整個鋰離子電池的性能。目前，負極材料中常用的碳的比容量可達339mAhg-1,而硅基負極的比容量更是達到了4212mAhg-1。正極材料的比容量遠沒有達到這一數(shù)值。因此，對正極材料的研究主要應該針對其放電比容量低的問題,開發(fā)比容量高,成本低,穩(wěn)定性好的正極材料。而作為一種理想的鋰離子電池正極材料,一般需要具備以下特點：較高的Li+脫出嵌入的可逆性，同時在脫嵌過程中體積變化較小。較多的可自由脫出嵌入的Li+。較快的鋰離子擴散速率和較高的電子電導率。充放電過程中的較為平穩(wěn)的電壓平臺。(5)資源豐富，價格低廉，環(huán)境友好。(6)合成工藝簡單、批次性好。四、試驗分析高鎳三元正極材料Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2的制備采用水熱法結合高溫固相法制備高鎳三元材料LiNi0.8Co0.1Mn0.102，首先，按一定摩爾比在燒杯中稱取乙酸鎳(2.32914g)、乙酸鉆(0.29142g)和乙酸錳(0.28676g)，在往燒杯中加入30ml去離子水混合攪拌均勻，過程大概2h，再加入一定量的尿素(2.45946g)使其完全溶解。隨后把混合的溶液轉移至干凈的100ml聚四氟乙烯反應釜中，將其密閉后放入200°C的烘箱并保溫10h，取出冷卻后得到藍色溶液和黃綠色沉淀，將沉淀用去離子水洗滌數(shù)次，置于烘箱中烘干稱取對應量的氫氧化鋰研磨均勻，最后放置在坩堝中于均勻的氧氣氣氛管式爐中500C保溫5h，800C保溫15h，升溫速率為3°C/min,自然降溫后取出產物，為黑色粉末狀，用研缽研磨成細粉狀，得到制備的Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)02。不同鈦酸鋰包覆量的高鎳三元材料的制備取一定量的純相Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2溶于在50ml乙醇中，加入1ml冰醋酸，攪拌至均勻分散。用移液槍移取一定量的鈦酸四丁酯加入溶液中繼續(xù)拌，將溶液加熱至50C保溫2h，反應完成后將溶液過濾烘干，并加入相應量的鋰源,置于空氣氣氛的管式爐中，700C燒結2h,將所得的黑色粉末研磨均勻，最后得到鈦酸鋰包覆的高鎳三元正極材料。其中，取1.8wt%、2.7wt%、3.6wt%包覆量的樣品分別標記為LTO-0@NCM、LTO-1@NCM、LTO-2@NCM、LTO-3@NCM?？凼诫姵氐慕M裝將制備好的高鎳三元正極材料，乙炔黑，PVDF(粘結劑)，按質量比&1：1的比例均勻混合，并加入適量N-甲基吡咯烷酮，置于球磨罐中球磨2h使其混合均勻，接著將攪拌好的漿料均勻的涂在鋁箔粗糙的一面上，放于干燥箱中80C烘干，轉移至真空干燥箱中100C繼續(xù)干燥9h,得到正極極片。用沖片機將極片壓成半徑約為14mm的圓片，稱量質量，按正極殼、正極極片、隔膜、鋰片、泡沫鎳，最后負極殼的順序電池在氬氣手套箱中組裝電池，每一之間滴加適量電解液使其充分浸潤，最后放入封口機中對紐扣電池封口，靜置過夜后進行充放電測試以及其他測試。其中本實驗中紐扣電池使用的隔膜為Celgard2400微孔聚丙烯薄膜，電解液為體積比為1：1：1的EC+DMC+DEC的混合溶液中溶解1MLiPF6，鋰片作為對電極，泡沫鎳作為墊片。結束語：總而言之，電池材料的不斷進步成為推動鋰電池技術向前發(fā)展的動力之一，先進的電極材料成為了鋰電池更新?lián)Q代的關鍵技術。為了讓鋰電池的應用范圍更廣泛，實現(xiàn)在對比容量、循環(huán)性能、倍率性能、安全性能要求都很高的動力電池上的應用，必須要對三元材料進一步研究和進展，而且它可以廣泛應用的關鍵就是在保證制備的鋰電池的電化學性能不下降的前提下提高其振實密度。參考文獻：曹輝，陳為亮.鋰離子電池正極材料鋰鎳氧的研究進展[J].電池工業(yè)，2003,8（1）：31-35萬傳云.鋰離子電池正負極