锂离子电池三元正极材料

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概 述
优点
缺点
比容量高 循环寿命长 安全性能好 价格低廉
平台相对较低 首次充放电效率低
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概 述
目前商业化三元材料
• LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 • LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2
• LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2
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概 述
各元素的作用
• Co元素 Co含量增加能有效减少阳离子混排，降低阻抗值，提高电导率和改善 充放电循环性能，但随着Co含量增加，材料的可逆嵌锂容量下降，成 本增加 • Ni元素 Ni的存在有利于提高材料的可逆嵌锂容量，但过多的Ni会使材料的循 环性能恶化 • Mn元素 Mn不仅可以降低材料的成本，而且稳定结构，提高材料的稳定性和 安全性。Mn的含量太高会出现尖晶石相而破坏材料的层状结构。
形状、成份可以得到严格的控制。水热合成粉末纯度高，晶体缺陷的 密度降低。
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制备方法
• • 化学共沉淀法： 一般是把化学原料以溶液状态混合，并向溶液中加入适当的沉淀剂，使溶液中已经混 合均匀的各个组分按化学计量比共沉淀出来，或者在溶液中先反应沉淀出一种中间产
物，再把它煅烧分解制备出微细粉料。化学共沉淀法分为直接化学共沉淀法和间接化
有较低的合成及烧结温度，可以制得高化学均匀性、高化学纯度的材 料，但是合成周期比较长，合成工艺相对复杂，成本高，工业化生成
的难度较大。
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制备方法
• 水热合成法： • 水热合成技术是指在高温高压的过饱和水溶液中进行化学合成的方法， 属于湿化学法合成的一种。利用水热法合成的粉末一般结晶度高，并
且通过优化合成条件可以不含有任何结晶水，且粉末的大小、均匀性、
比，易形成杂相，产品在组成、结构、粒度分布等方面存在较大差异，
因此电化学性能不稳定。
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制备方法
• 溶胶-凝胶法： • 先将原料溶液混合均匀，制成均匀的溶胶，并使之凝胶，在凝胶过程 中或在凝胶后成型、干燥，然后煅烧或烧结得所需粉体材料。溶胶凝
胶技术需要的设备简单，过程易于控制，与传统固相反应法相比，具
高温焙烧。与传统的固相合成技术相比，采用共沉淀方法可以使材料达到分子或原子 线度化学计量比混合，易得到粒径小、混合均匀的前驱体，且煅烧温度较低，合成产 物组分均匀，重现性好，条件容易控制，操作简单，目前工业上已有规模生产。
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制备方法
Ni、Co、Mn离子混合液 沉淀剂 沉淀反应(pH、T、搅拌速度) 锂源 陈化、洗涤、过滤、干燥 前驱体 混合、球磨 烧结 NCM
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性能测试
• 循环性能测试：测试循环一定次数后容量保持率的大小；容量大小； 容量衰减程度 • 倍率性能测试： 以一定倍率放电，看平均电压及容量保持率。平均 电压越高越好。 • 高低温性能测试：在低温、常温、高温下电压降的多少，容量保持率 多少。 • 首次充放电曲线：首次充电比容量；首次放电比容量；首次充放电效 率
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概 述 研究方向
• 寻求合适的Ni、Co、Mn配比 • 提高振实密度（NCM的压实密度低3.6g/cm3； LCO为3.9g/cm3） • 高温胀气，尤其是高Ni时 • 稳定性和倍率性能差——离子掺杂、表面包覆
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结 构
•
LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2属于α -NaFeO2层状结构，即六方晶型，R-3m空间群。 Li+位于3a位，过渡金属离子M(M=Mn, Co, Ni)位于3b位；O位于6c位，为 立方紧密堆积，与过渡金属离子M构成MO6八面体，过充时 LixNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x<0.15)呈现一种核壳结构，核是菱形六面体结构，壳 是CdI2结构，使释放氧的温度提高，从而使该材料具有更好的热稳定性。
• 锰资源丰富、廉 价、成本低；耐 过充性能好，安 全性好 循环性能差、比 容量低 • •
磷酸铁锂
安全性好、成本低、 无毒无污染、放电 平台稳定 电压低、能量密度 低、电导率低、振 实密度低
•
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概 述
LiNixCoyMnzO2
三元协同效应
Co，减少阳离子混合占位，稳定层状结构
Ni，可提高材料的容量 Mn，降低材料成本，提高安全性和稳定性
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制备方法
高温固相法 溶胶凝胶法
化学共沉淀法
水热合成法
喷雾干燥法
熔融盐法
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制备方法
• 高温固相法 • 一般以镍钴锰和锂的氢氧化物或碳酸盐或氧化物为原料，按相应的物 质的量配制混合，在700~1000℃煅烧，得到产品。该方法主要采用
机械手段进行原料的混合及细化，易导致原料微观分布不均匀，使扩
散过程难以顺利地进行，同时，在机械细化过程中容易引入杂质wenku.baidu.com且 煅烧温度高，煅烧时间长，能耗大，锂损失严重，难以控制化学计量
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概 述
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概 述
钴酸锂
传统正极材料—— LiCoO2 优点：工作电压高、电 压平稳、循环性能好、 比能量高、适合大电 流放电 缺点：实际容量仅为理 论容量的50%左右 （理论274mAh/g， 实际 140~155mAh/g）、 抗过充性能差、钴资 源匮乏、价格高 —主要应用于移动电子 产品
尖晶石锰酸锂
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结 构
• 在LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2三元材料中，Ni、Co、
Mn分别以+2、+3、+4价存在，也存在少量的 Ni3+和Mn3+ 充放电过程中除了有Co3+/4+的转
2+/3+和Ni 4+/3+的电子转移，使
变外，还存在Ni
材料具有更高的比容量，Mn4+的存在稳定了结构。 理论容量278mAh/g。
锂离子电池正极材料 ——三元材料
概述 结构 制备方法 性能测试 修饰改性
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概 述
• 近年来，为应对汽车工业迅猛发展带来的诸如环境污染、石油资源急 剧消耗等负面影响，各国都在积极开展采用清洁能源的电动汽车EV以 及混合动力电动车HEV的研究。其中作为车载动力的动力电池成为EV 和HEV发展的主要瓶颈。 • 电动汽车虽不能解决能源短缺的问题，但是能够解决环境污染的问题 （雾霾）。
学共沉淀法。直接化学共沉淀法是将Li、Ni、Co、Mn的盐同时共沉淀，过滤洗涤干燥 后再进行高温焙烧。间接化学共沉淀法是先合成Ni、Co、Mn三元混合共沉淀，然后 再过滤洗涤干燥后，与锂盐混合烧结；或者在生成Ni、Co、Mn三元混合共沉淀后不
经过过滤而是将包含锂盐和混合共沉淀的溶液蒸发或冷冻干燥，然后再对干燥物进行