自蔓延高温合成层状正极材料钴酸锂的工艺研究

【摘要】锂离子电池因工作电压高(单节电池高达3.7伏)、体积小、质量轻、比能量大、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长等优点,是21世纪重点发展的理想能源,广泛应用于移动电话、笔记本电脑、摄像机等便携式电器,且新的用途(如电动汽车)正在不断开拓之中。从目前各种电池的综合性能来看,锂离子电池是目前最具有发展潜力和应用前景的高能量二次电池。因此国家863计划将锂离子电池及其材料列入了重点攻关项目。作为锂离子电池最主要的原材料——LiCoO2具有非常广阔的市场前景。本文采用自蔓延高温合成结合后续热处理工艺来制备层状正极材料LiCoO2。以Li2CO3、LiNO3、Co3O4、NH4NO3、乌洛托品为原料,并且固定NH4NO3/CO摩尔比为4:3,球磨混料压坯后进行自蔓延高温合成,然后将合成的产物进行热处理。主要从以下几个方面进行研究：1.分析乌洛托品添加量对自蔓延高温合成反应的影响,探究出合适的添加量；2.研究热处理温度、热处理时间对合成产物的影响,确定出合理的热处理工艺参数；3.研究锂的添加量对合成产物的影响,确定最佳的Li/Co摩尔比；4.比较改变锂源对最终产物的影响,找到较佳的锂源。以Li2CO3作为锂源、NH4NO3作为氧化剂合成LiCoO2,乌洛托品/Co摩尔比至少为4:3才能保证自蔓延高温合成的顺利进行。但产物中目标相LiCoO2的含量极低,含有CoO、Co3O4等杂相,经过适当的热处理和补锂之后,方能得到纯度较高、层状结构较好的LiCoO2。利用XRD、SEM等手段对产物进行分析,发现LiCoO2的纯度随着热处理温度的升高和热处理时间的延长先增加后又降低,且LiCoO2的晶体结构和微观形貌也呈现类似的变化趋势。适当地提高Li/Co摩尔比,可完全消除Co3O4,得到层状结构良好、纯度高达99.25%的LiCoO2。以LiNO3作为锂源和氧化剂合成的LiCoO2,乌洛托品/Co摩尔比为1:3时,自蔓延高温合成效果最佳,产物中LiCoO2含量达到11%。进行适当的热处理,可得到纯度几乎100%的LiCoO2。结合XRD、SEM等手段对产物进行分析,发现LiCoO2的纯度随热处理温度的升高和热处理时间的延长先增加后又降低,且LiCoO2的晶体结构和微观形貌也呈现类似的变化趋势。提高Li/Co摩尔比,产物中LiCoO2的含量降低,Co3O4的含量升高,且LiCoO2的层状结构遭到破坏。利用XRD、SEM等技术手段对分别以Li2CO3和LiNO3作为锂源合成的最佳产物进行对比,发现LiNO3作为锂源合成的LiCoO2具有更佳的层状结构和微观形貌,且可以减少乌洛托品用量从而节省原料。
【作者】马晓杰；
【导师】陈秀娟；
【作者基本信息】兰州理工大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】层状；正极材料；自蔓延高温合成；LiCoO2；热处理；

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