【摘 要】
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锂离子电池以其能量密度高、工作电压高、循环寿命长和环境友好等优点,被认为是21世纪的高效绿色电源,并已广泛应用于手机、笔记本电脑、数码相机等微型电予产品领域。但是目前
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锂离子电池以其能量密度高、工作电压高、循环寿命长和环境友好等优点,被认为是21世纪的高效绿色电源,并已广泛应用于手机、笔记本电脑、数码相机等微型电予产品领域。但是目前锂离子电池的能量密度仍然无法满足电动车以及混合动力汽车发展的需求。目前以二元、三元为代表的层状过渡金属氧化物正极材料以其较低的成本、较高的比容量和较好的热稳定性而受到了广泛关注。富锂层状氧化物正极材料因具有高比容量被认为是下一代锂离子电池正极材料的代表。但是,富锂层状正极材料仍然存在电压衰减、首国库伦效率低、倍率性能差等问题,限制了它的实际应用。本论文主要通过元素掺杂、表面包覆及二者协同的改性策略来提高富锂层状正极材料的电化学性能,同时研究了其改性机制,主要内容包括: (1)利用中子衍射技术并结合电化学性能测试等系统研究了Ti元素掺杂对富锂层状材料中Li/Ni混排与电化学性能的影响。首先采用共沉淀和固相烧结两步法制备了Ti掺杂的富锂层状正极材料。通过电化学性能测试分析发现,Ti掺杂能改善富锂层状氧化物正极材料的倍率性能和循环稳定性。中子衍射对掺杂前后富锂材料的结构分析表明,Ti掺杂降低了材料的Li/Ni混排度,进而改善了富锂材料的倍率性能和循环稳定性。 (2)提出了一种改性层状氧化物正极材料的通用包覆策略。以锂离子导体Li2ZrO3作为包覆材料,利用Zr(OC2H5)4易于水解和过渡金属碳酸盐含有结晶水的特性提出了一种同步锂化原位包覆策略。使用该包覆策略能够得到的厚度均匀的锂离子导体Li2ZrO3包覆层,这不仅可以有效地阻止电极材料表面副反应的发生,而且还能提高电极材料在界面处的电荷转移和锂离子迁移。相比于未包覆的电极材料,经过Li2ZrO3表面改性的富锂层状氧化物正极材料均表现出了较好的循环性能和倍率性能。 (3)设计了一种体相掺杂与表面包覆的协同改性策略。通过共沉淀首先对前驱体进行Zr4+掺杂,然后在材料表面同步包覆TiO2,最后通过加入LiOH,烧结得到锂离子导体Li2TiO3包覆,同时有Zr4+掺杂协同改性的富锂层状氧化物正极材料。该正极材料结合上述元素掺杂和锂离子导体包覆的优点,更大程度地提升了富锂层状氧化物正极材料地电化学性能,具有明显的协同改性效果,并研究了其协同改性机理。
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