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(duì)鋰離子電池高鎳三元正極材料進(jìn)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(shì)，帶動(dòng)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(diǎn)而得到了廣泛的關(guān)注。關(guān)鍵詞：鋰離子電池；高鎳；三元正極材料引言：隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，人類對(duì)于能源的需求不斷增加，傳統(tǒng)化石能源也隨著時(shí)間的推移而逐漸耗盡。傳統(tǒng)化石能源在使用過(guò)程中對(duì)環(huán)境的影響越來(lái)越不可忽視，全球氣溫變暖，空氣質(zhì)量的下降很大程度上都與化石能源的燃燒有關(guān)。因此，開(kāi)發(fā)新型的清潔可再生能源具有十分重要的意義?；瘜W(xué)電源作為一種儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置，在目前人們的日常生活中起著至關(guān)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(yīng)用在交通運(yùn)輸、儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換、醫(yī)療設(shè)施與航空航天等多個(gè)領(lǐng)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(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作。在充放電過(guò)程中，Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時(shí),Li+從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。鋰離子電池是一種濃差電池，其正極和負(fù)極可進(jìn)行鋰離子可逆的脫出和嵌入，正極通常是高電位鋰和過(guò)渡金屬的氧化物，負(fù)極通常是低電位嵌鋰化合物。鋰離子電池以碳素材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極，沒(méi)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(guò)程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程中，同時(shí)伴隨著與鋰離子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌。在充放電過(guò)程中，鋰離子在正、負(fù)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(jìn)的可充電電池就是鋰離子電池，1991年索尼集團(tuán)把鋰電池技術(shù)推向了世界，一直以來(lái)電池材料的不斷進(jìn)步成為推動(dòng)鋰電池技術(shù)向前發(fā)展的動(dòng)力之一，先進(jìn)的電極材料成為了鋰電池更新?lián)Q代的關(guān)鍵技術(shù)。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(fù)合正極材料前驅(qū)體產(chǎn)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(shí)際需要調(diào)整，三元材料做正極的電池相對(duì)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(xué)特性各有差異，因此，針對(duì)其不同的化學(xué)特性，應(yīng)用領(lǐng)域也有所不同。LiCoO2由于生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、壓實(shí)密度高電化學(xué)性能較好等優(yōu)勢(shì)最先實(shí)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(chǎng)份額。但是鈷資源缺乏，價(jià)格昂貴，使其只能在小電池上得到應(yīng)用，并且鈷具有放性，污染環(huán)境，LiCoO2固相合成時(shí)反應(yīng)物難以混合均勻，需要較高的煅燒溫度和較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，鈷酸鋰電池的實(shí)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(wú)法降下來(lái)，限制了鈷酸鋰在鋰電池領(lǐng)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(gè)鋰離子電池的性能。目前，負(fù)極材料中常用的碳的比容量可達(dá)339mAhg-1,而硅基負(fù)極的比容量更是達(dá)到了4212mAhg-1。正極材料的比容量遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到這一數(shù)值。因此，對(duì)正極材料的研究主要應(yīng)該針對(duì)其放電比容量低的問(wèn)題,開(kāi)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(diǎn)：較高的Li+脫出嵌入的可逆性，同時(shí)在脫嵌過(guò)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(kuò)散速率和較高的電子電導(dǎo)率。充放電過(guò)程中的較為平穩(wěn)的電壓平臺(tái)。(5)資源豐富，價(jià)格低廉，環(huán)境友好。(6)合成工藝簡(jiǎn)單、批次性好。四、試驗(yàn)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(jié)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(guò)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(zhuǎn)移至干凈的100ml聚四氟乙烯反應(yīng)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(lán)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(duì)應(yīng)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(chǎn)物，為黑色粉末狀，用研缽研磨成細(xì)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(yīng)完成后將溶液過(guò)濾烘干，并加入相應(yīng)量的鋰源,置于空氣氣氛的管式爐中，700C燒結(jié)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(biāo)記為L(zhǎng)TO-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(jié)劑)，按質(zhì)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(zhuǎn)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(jī)將極片壓成半徑約為14mm的圓片，稱量質(zhì)量，按正極殼、正極極片、隔膜、鋰片、泡沫鎳，最后負(fù)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(rùn)，最后放入封口機(jī)中對(duì)紐扣電池封口，靜置過(guò)夜后進(jìn)行充放電測(cè)試以及其他測(cè)試。其中本實(shí)驗(yàn)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(duì)電極，泡沫鎳作為墊片。結(jié)束語(yǔ)：總而言之，電池材料的不斷進(jìn)步成為推動(dòng)鋰電池技術(shù)向前發(fā)展的動(dòng)力之一，先進(jìn)的電極材料成為了鋰電池更新?lián)Q代的關(guān)鍵技術(shù)。為了讓鋰電池的應(yīng)用范圍更廣泛，實(shí)現(xiàn)在對(duì)比容量、循環(huán)性能、倍率性能、安全性能要求都很高的動(dòng)力電池上的應(yīng)用，必須要對(duì)三元材料進(jìn)一步研究和進(jìn)展，而且它可以廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵就是在保證制備的鋰電池的電化學(xué)性能不下降的前提下提高其振實(shí)密度。參考文獻(xiàn)：曹輝，陳為亮.鋰離子電池正極材料鋰鎳氧的研究進(jìn)展[J].電池工業(yè)，2003,8（1）：31-35萬(wàn)傳云.鋰離子電池正負(fù)極