綜合技能訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)一(鋰離子電池NCM正極材料的制備及表征)2010

綜合技能訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)方案題目鋰離子電池LiNi1/3Co1/3Mn1sO2正極材料的制備及性能表征一、實(shí)驗(yàn)原理采用共沉淀前驅(qū)體法合成鋰離子電池LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正極材料。實(shí)驗(yàn)原理(以氫氧化物沉淀為例)如下：TOC\o"1-5"\h\z1/3Ni2++1/3CO2++l/3Mn2++nNH3+2NaOH ”[Ni1/3Co1/3Mn1/3(NH3)n](OH)2+2Na+ (1)[Ni1/3Co1/3Mn1/3(NH3)J(0H)2 -[Ni1/3Co1/3Mn1/3](OH)2+nNH3 (2)[Ni1/3Co1/3Mn1/3](OH)2+Li2CO3——Li[Co1/3Ni1/3Mn1/3]O2+H2O+CO2(3)二、藥品和儀器1、藥品：鎳鹽、鉆鹽、錳鹽(以硫酸鹽為佳)、NaOH、NH3?H2O、NH4HCO3、Na2CO3、無(wú)水碳酸鋰。均為分析純?cè)噭?、儀器：常量玻璃儀器(漏斗和濾紙、表面皿、燒杯、10和100ml量筒、錐形瓶、250ml單頸或三頸燒瓶、滴液漏斗、藥匙、吸液管、玻棒)、鐵架臺(tái)、磁力攪拌加熱裝置及附屬玻璃儀器、200°C溫度計(jì)、抽濾裝置、循環(huán)水式真空泵、坩堝。檢測(cè)儀器：電子分析天平、差熱分析儀、X射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)。

三、層狀LiNi1/3Co1sMn1sO2材料的制備工藝流程圖Ni,Co,Mn陽(yáng)離子混合溶液 沉淀劑鋰鎳鉆錳氧化物四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、共沉淀劑的配制配制6mol/dm3NaOH和6mol/dm3NH3?H2O混合溶液100毫升，或Na2CO3的飽和溶液[Na2CO3+NH4HCO3（4：1）]100毫升。2、共沉淀前驅(qū)體的合成利用控制結(jié)晶法合成鎳、鉆、錳三元共沉淀物前驅(qū)體。沉淀劑分別為NaOH+NH3?H20或Na2CO3+NH4HCO3。以n（Ni）：n（Co）：n（Mn）=1：1：1的比例稱取相應(yīng)量的可溶性鎳鹽、鉆鹽、錳鹽配成適當(dāng)濃度的混合溶液,將此混合溶液和適當(dāng)濃度的沉淀劑，滴加入到反應(yīng)釜中，控制攪拌速度、pH值、溫度。反應(yīng)一定時(shí)間后，陳化、過(guò)濾,所得沉淀用去離子水反復(fù)洗滌,干燥后得到鎳、鉆、錳三元共沉淀物前驅(qū)體Nii/3Coi/3Mni/3（OH）2或Nii/3Coi/3Mni/3CO3。3、層狀LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正極材料的制備以n（Li）:n（Ni1/3Co1/3Mn1/3）=1.05:1的比例將Li2CO3和鎳、鈷、錳三元共沉淀物前驅(qū)體Ni1/3Co1/3Mn1/3（OH）2或Ni1/3Co1/3Mn1/3CO3在研缽中充分研磨，將混合好的原料干燥后取一部分進(jìn)行熱重實(shí)驗(yàn)，以確定煅燒條件。將混合好的剩余原料放入干凈的坩堝中，并用一定大小的壓力將混合物壓緊，然后將坩堝放入程序控溫箱式電阻爐內(nèi)，在一定條件下煅燒一定時(shí)間，得到目標(biāo)產(chǎn)物L(fēng)iNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料。將燒制好的樣品粉碎、研磨，做XRD測(cè)定結(jié)構(gòu)，SEM實(shí)驗(yàn)觀察其形貌。附：以下實(shí)驗(yàn)步驟供參考1、共沉淀劑的配制配制6mol/dm3NaOH和6mol/dm3NH3?H2O混合溶液100毫升，或Na2CO3的飽和溶液［Na2CO3+NH4HCO3（4：1）］100毫升。2、共沉淀前驅(qū)體的合成方案一：以NaOH+NH3?H2O（濃度為6mol/dm3）混合溶液為沉淀劑合成鎳、鈷、錳三元共沉淀物前驅(qū)體。分別稱取11.81克（0.044mol）NiS04?6H20,7.55克（0.044mol）MnS04?H20,12.5克（0.044mol）CoSO4?7H2O配制成100ml鎳、鉆、錳三元陽(yáng)離子混合溶液。將混合溶液置于250ml三頸燒瓶或燒杯中，在55oC恒溫?cái)嚢柘拢瑢aOH+NH3?H2O的共沉淀劑緩慢滴加入三元陽(yáng)離子混合溶液中（約每秒一滴），當(dāng)pH=12.6時(shí)，停止加液，繼續(xù)攪拌2小時(shí)，靜置陳化3小時(shí)，抽濾，并用去離子水反復(fù)洗滌，100°C烘干，得鎳、鉆、錳三元共沉淀物前驅(qū)體。方案二：以Na2CO3+NH4HCO3混合溶液為沉淀劑合成鎳、鉆、錳三元共沉淀物前驅(qū)體。分別稱取11.81克（0.044mol）NiSO4?6H2O,7.55克（0.044mol）MnSO4?H2O,12.5克（0.044mol）CoSO4?7H2O配制成100ml鎳、鉆、錳三元陽(yáng)離子混合溶液。將混合溶液置于250ml三頸燒瓶或燒杯中，在55oC恒溫?cái)嚢柘?，將Na2CO3+NH4HCO3沉淀劑緩慢滴加入金屬鹽溶液中（約每秒一滴），當(dāng)pH=7.5時(shí)，停止加液，繼續(xù)攪拌2小時(shí)，靜置陳化3小時(shí)，抽濾，并用去離子水反復(fù)洗滌，100C烘干，得鎳、鉆、錳三元共沉淀物前驅(qū)體［Ni1/3Co1/3Mn1/3］CO3。3、 層狀LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正極材料的制備以n（Li）:n（Nii/3coi/3Mni/3）=l.°5：l的比例將Li2CO3和鎳、鉆、錳三元共沉淀物前驅(qū)體Ni1/3Co1/3Mn1/3（OH）2或Ni1/3Co1/3Mn1/3CO3在研缽中充分研磨，將混合好的原料干燥后取一部分進(jìn)行熱重實(shí)驗(yàn)，以確定焙燒條件。將混合好的剩余原料放入干凈的坩堝中，并用一定大小的壓力將混合物壓緊，然后將坩堝放入程序控溫箱式電阻爐內(nèi)，在空氣氣氛下先于480oC（升溫速度為2oC/分鐘）恒溫4小時(shí)，再升溫至900oC（升溫速度為2oC/分鐘），保溫12-16小時(shí)后，隨爐冷卻至室溫，取出研磨，得到目標(biāo)產(chǎn)物鋰離子電池LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正極材料。采用掃描電鏡（SEM）觀察材料的形貌，X粉末衍射實(shí)驗(yàn)（XRD）測(cè)定其晶型。4、 球磨活化法制備層狀LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正極材料高溫固相法是制備電池材料最簡(jiǎn)便的傳統(tǒng)方法，原料的均勻混合是保證材料優(yōu)良性能的前提。在本實(shí)驗(yàn)中，我們采用機(jī)械活化法對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理以期使原料均勻混合，并控制合成材料的粒度。具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：將鋰源Li2CO3和Ni、Co、Mn碳酸鹽或硫酸鹽按計(jì)量比混合后加入行星式球磨機(jī)中，以乙醇或丙酮作分散劑，以瑪瑙球作磨球，循環(huán)攪磨6h；將經(jīng)過(guò)機(jī)械活化處