锂离子电池正极材料之三元材料总结

粒大小尺度接近，并且振实密度较高，为1.54 g2cm-3。当陈化时间进一步增加时，反应生成的共沉淀产物在溶液中的停留时间过长，颗粒间团聚现象严重，连结成无规则形态。所以本实验通过陈化试验结果分析，将最终的液相共沉淀产物陈化时间确定为8 h。

加料速度决定了两液相瞬间接触位置的离子浓度，使得局部饱和度不同，从而对晶体成核和生长速率产生影响，得到不同颗粒尺度和形貌的前躯体。当加料速度较快时，溶液过饱和度高，成核占主导地位，使得晶粒成长困难，此时若继续保持较快的加入速率，将导致生成大量的小晶体，严重的还可能生成无定形沉淀，这将严重影响到最终合成的锂离子电池正极材料的性能；当加料速度较慢时，晶粒的生长占主导地位，使得反应生成物在溶液中的停留时间增长，晶粒间团聚现象加重，容易导致形成无规则状态。本实验的加料速度控制在0.8~1 L/h。

在搅拌器的不断搅动下，反应物之间相互碰撞，接触并发生反应，使得生成的晶核逐渐长大，搅拌的速率直接决定着络和以及沉淀反应进行的效果，最终影响到制备出的前躯体的形貌和性能。在液相共沉淀反应体系中，搅拌的主要目的是使饱和溶液和加入料溶液均匀地混合，进而完成结晶反应。本实验在液相共沉淀反应过程中，搅拌速率控制在300 r/m左右。

采用三段式固相反应的方法，三个温度点分别为480℃，620℃和840℃（及以上），使LiOH2H2O可以更好的熔融和分解，并且使Li2O充分渗透到前驱体中去，反应物之间充分接触，制备出的正极材料结晶度较高，晶体结构更加规整。

最终固相煅烧温度为840℃时，晶体结构完整，颗粒形貌规整，电化学性能优良，首次充放电容量分别为165.80 mAh2g-1和154.50 mAh2g-1，经过20次充放电循环后的容量保持率为91.91%。

在随着固相反应时间逐渐增长的过程中(8 h~14h)，I003/I104的比值先增大，然后有所减小（固相温度为14 h），(102)/(006)和(108)/(110)两对峰分裂逐渐明显，衍射峰也逐渐变得尖锐，当固相反应时间为8 h时，所制备的LiNil/3Co1/3Mnl/3O2正极材料由于高温固相反应时间较短，材料未能形成良好的层状结构，材料中阳离子的无序度较高，出现阳离子混排的情况比较明显，同时晶体结晶度也较差。随着固相反应时间的增加，层状特性逐渐明显，晶体中阳离子扩散的更为均匀。当煅烧时间达到12 h时，I003/I104值显著增大，(102)/(006)和(108)/(110)两对峰分裂明显，衍射峰尖锐，表明此时所得正极材料晶体中阳离子分散更为均匀，晶体层内紧密收缩，层状特性趋于完美。

随着固相反应时间的增加，颗粒的团聚显现明显减弱，在煅烧时间为12 h时，颗粒尺寸一致，形貌规整，清晰。在固相反应时间相对较少的8 h和10 h中，颗粒尺寸变化明显，并且伴随着团聚现象，在固相反应时间为14 h时，颗

粒尺寸有所增大。固相合成时间较短时，合成的样品颗粒球形度较差，不利于形成类球型形貌。

研究了在固定煅烧温度（840℃），不同煅烧时间制备LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料。在840℃，分别恒温保持8 h，10 h，12 h和14 h，制备4种不同样品。分别对4种样品进行形貌，晶体结构以及充放电性能测试，试验结果表明合成LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料时，高温煅烧时间为12 h是最合适的，此条件下制得的样品形貌规则，首次放电容量为154.50 mAh2g-1，容量保持率高，经过20次充放电循环后保持率为91.91%。

为了弥补Li元素在锻烧时的损失和优化材料的电化学性能，研究了不同Li/(Ni+Co+Mn)摩尔配比对LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2性能的影响，实验结果表明，随着Li/(Ni+Co+Mn)摩尔配比的增加，晶体结构逐渐完整，首次放电容量增大，当Li/(Ni+Co+Mn)摩尔配比为1.12/1时，合成LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料具有颗粒形貌规则，尺寸大小一致，I003/I104的值为1.988，说明阳离子混排程度低，电化学性能表现优异，经过20次充放电循环后放电容量为142.00 mAh2g-1。

在2.8~4.6 V电压范围内，扫描速度为0.1 mV2S-1的循环伏安曲线。LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2电极材料都出现了两对明显的反应峰，分别对应电极材料在充电和放电过程中的氧化还原过程，氧化峰和还原峰基本对称，并且没有其它的峰出现，说明该材料的可逆性较好。Mn在这里为非电化学活性物质，不参与电化学反应，在锂脱嵌的过程起着支撑和稳定电极材料结构的作用。在CV曲线中，3.9/3.7 V左右出现一对氧化还原峰对应着充放电过程中的Ni2+/Ni4+的氧化还原反应。

锂离子电池电极材料的交流阻抗Nyquist图谱主要由三部分组成：一是在高频区的第一个半圆弧，是由于电解液和电极表面的极化反应形成的SEI膜阻抗，二是位于中频区的第二个半圆弧，此半圆弧为电化学阻抗，三是位于低频区的一条斜率近似为45°的斜线，斜线反应的是Li+离子扩散引起的Warburg阻抗。伴随着锂离子电池充放电循环次数的增加，SEI膜阻抗变化不大，但是电化学阻抗明显增大，这是锂离子电池电极在循环过程中容量衰减的主要原因。

14、前驱体的制备：将NiSO4、CoSO4、MnSO4以摩尔比Ni:Co:Mn=1:l:l配成一定浓度的混合溶液，与相同摩尔浓度的Na2CO3和氨水的混合溶液按照一定的流量加入到温度恒定、搅拌剧烈的共沉淀反应釜中，反应一定时间得到 Nil/3Col/3Mnl/3CO3沉淀。本研究所采用的是连续进料连续出料的方式，通过控制产物的反应时间来控制产物的粒度。用抽滤机对产品进行液固分离，得到的产物再用去离子水洗涤三次以洗净产物中的SO42-，并用BaCl2检验。洗净后的Ni1/3Col/3Mnl/3CO3在80℃下干燥。通过控制反应条件可得到流动性好、粒径

分布集中、振实密度高的前驱体供后续的合成工艺使用。

球形正极材料LiNil/3Co1/3Mn1/3O2的制备：合成工艺一:将球形Nil/3Col/3Mn1/3CO3氧化分解，所得氧化物按Li与氧化物中总金属为一定的摩尔比配入锂源，在一定温度下锻烧，随炉冷却得到球形LiNi1/3Co1/3Mn1/302。在该工艺过程中分别研究不同的氧化温度对氧化物形貌的影响，合成温度对 LiNi1/3Col/3Mn1/3O2的结构、物理性能、电化学性能的影响，以确定最佳的氧化温度和合成的温度;

合成工艺二:直接将球形Ni1/2Col/3Mn1/3C03按与合成工艺(一)相同的配比配入碳酸锂，先在低温下恒温一段时间，然后在工艺一得出的最佳的合成温度下高温处理，随炉冷却得到球形LiNi1/3Co1/3Mn1/302。

比较通过两种不同的合成工艺得到的球形LiNil/3Co1/3Mn1/302的物理和电化学性能，得出最佳的合成工艺。

将NiS0427H2O、CoSO427H2O、MnSO422H20按摩尔比为l:l:l配成总浓度为 1.0mol.L-1，的溶液，与 1.0mol.L-1的Na2CO3按反应计量比并流加入到搅拌的反应釜中，同时加入一定量的氨水，维持反应体系中NH3为2.4g2L-1，反应釜中以2.4g2L-1的稀氨水作底液。反应釜搅拌电机的转速为500r2min-1，在55℃下反应一定时间得到球形Nil/3Col/3Mnl/3CO3。

Nil/3Co1/3Mn1/3CO3的预处理：根据预处理温度对氧化物的金属总量及对氧化物的密度的影响，恒温时间为5小时，预处理温度应在500℃以上才能保证前驱体的分解完全，不影响配料的均匀性，但预处理温度过高影响到球形LiNi1/3C1/3Mn1/3O2的化学反应活性，同时合成温度太高会导致不同球形颗粒之间的粘结，从而破坏材料的球形度，所以氧化过程在低温下进行较为合适。处理得到的球形颗粒呈多孔状，在合成球形LiNi1/3Co1/3Mn1/302时利于熔融碳酸铿在颗粒内的部的迁移，使反应更加充分。此外在合成LiNi1/3Co1/3Mn1/302时，必须经过高温处理，而在后续合成工艺中同样可以增加材料的振实密度，所以氧化过程中最合适的处理温度为500℃。

评定三元材料好坏的方法因素（各种检测方法总结）

1、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。电压

降越小越好，

荷电保持能力测试：满电态，常温搁置（天），之后进行放电容量测试，放到一

定电压后看容量保持率。

快速充放电能力测试：以不同倍率充电，看不同倍率充电容量与最小倍率充电容

量的比值；看恒流容量与充电容量的比值，都是越大越好。

安全性能测试：过冲：满电态电池以一定电流过冲到一定电压，继续恒压充电电

池不燃不爆。看电池初始温度和最高温度，计算温升多少。

短路测试：电池负极端放气阀打开，看有烟冒出还是起火，正极端放气阀的变化，

最高温度是多少，有无造成起火爆炸。

针刺：

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； 循环-伏安测试：一般采用三电极体系，金属锂片作为参比电极，通过循环伏安

曲线，可以得到在设定的电压范围内，电极极化电流随电极电位的变化而发生的化学反应；通过不同的氧化还原峰的位置和强度，可以分析该电极所进行的反应类型和电化学机理；根据在固定电位的重复扫描可以判断测试材料的可逆性；4.5 V附近没有出现由于不可逆容量造成的阳极峰。除了充放电过程中对称的氧化还原峰有无其他峰出现。氧化还原峰对称说明充放电过程中结构稳定。

交流阻抗EIS测试：交流阻抗(EIS)测试是通过对特定状态下，对被测体系施加

一个小振幅的正弦波电位（或者电流）扰动信号，通过研究相应的响应信号与扰动信号之间的关系以及充放电循环过程中的阻抗特性变化，进行的一种电极过程动力学测试方法。锂离子电池电极材料的交流阻抗Nyquist图谱主要由三部分组成：一是在高频区的第一个半圆弧，是由于电解液和电极表面的极化反应形成的SEI膜阻抗，二是位于中频区的第二个半圆弧，此半圆弧为电化学阻抗，三是位于低频区的一条斜率近似为45°的斜线，斜线反应的是Li+离子扩散引起的Warburg阻抗。

2、XRD分析：由峰的强度与峰的位置确定为六方晶系，R3m空间群，层状α—

NaFeO2结构；衍射峰尖锐说明结晶程度高；看有无杂质峰；（006）/(102)及（108）/（110）峰明显分开说明层状结构明显；I(003)/I(104)比值越大，大于1.2，阳离子有序程度越高；R值（I(006)+I(102)/I(101)）越小，晶体结构越