鋰離子電池正極材料的制備和電化學(xué)性能研究

張佳 桂方海 黎永志

【摘 要】隨著電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，鋰離子電池獲得了廣泛的應(yīng)用。為了滿足當(dāng)前電子行業(yè)對鋰離子電池的需求，則需要加大該電池的研究和生產(chǎn)力度。正極材料作為鋰離子電池的重要部分，是電池電化學(xué)性能和成本的決定因素，因此，需要對正極材料進(jìn)行研究，從而保障鋰離子電池的化學(xué)性能，發(fā)揮電池的重要作用。基于此，本文主要分析了鋰離子電池對正極材料的性能要求，以鎳鈷鋁酸鋰（NCA）的制備為例，對鋰離子電池正極材料的制備和電化學(xué)性能進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】鋰離子電池;正極材料制備;電化學(xué)性能

【中圖分類號】TM912 ?【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

LiMO2M=Co，Ni，Mn）、LiMn2O4和LiFePO4等是傳統(tǒng)的鋰離子電池正極材料，因這些材料存在一定的缺點，難以滿足現(xiàn)代電池材料的需求，因此需要開發(fā)新型鋰離子正極材料?，F(xiàn)階段，改性后的三元材料是發(fā)展快、應(yīng)用前景較好的一種正極材料，其中NCA三元材料是具有良好循環(huán)性能、高量的放電比容量，具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，對該正極材料制備和電化學(xué)性能進(jìn)行研究是十分有必要的。

1.鋰離子電池對正極材料的性能要求

1.1產(chǎn)業(yè)對鋰離子電池的性能要求

就鋰離子電池來說，產(chǎn)業(yè)初期其主要應(yīng)用于手機、筆記本電腦等電子產(chǎn)品。隨著新能源產(chǎn)業(yè)和電動車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，鋰離子電池的需求量日益增加，在各個電子產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著重要的作用。為了獲得產(chǎn)業(yè)的認(rèn)可和推動產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，則需要該電池滿足諸多技術(shù)性能指標(biāo)，比如比能量、比功率、耐用性能等。這些指標(biāo)之間存在一定的聯(lián)系，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中，對鋰離子電池的指標(biāo)考慮順序也是不同的。據(jù)相關(guān)研究表明，鋰電池技術(shù)指標(biāo)中最重要的是循環(huán)性能和比能量，其次是安全性、比功率、可靠性等[1]。

1.2正極材料需滿足主流鋰離子電池產(chǎn)業(yè)需求

現(xiàn)階段，滿足鋰離子電池主流市場性能要求的正極材料包括層狀鈷酸鋰材料、尖晶石錳酸鋰材料、橄欖石磷酸鐵鋰材料、層狀三元材料、層狀高鎳材料等。不同的正極材料具有不同的物理化學(xué)特點，相應(yīng)的鋰離子電池也適應(yīng)于不同的領(lǐng)域。以鈷酸鋰材料為例，其是現(xiàn)階段壓實密度最高的一種正極材料，是移動智能終端、平板電腦等電子產(chǎn)品的鋰離子電池的主要正極材料。

2.鋰離子電池正極材料的制備

就NCA材料的制備來說，主要方法有化學(xué)共沉淀法、高溫固相法、溶膠凝膠法等。其中，化學(xué)共沉淀法是現(xiàn)階段應(yīng)用較多的一種方法，其通常是先制備含有碳酸鎳鈷鋁和碳酸鋰的混合物，之后煅燒該混合物，最終獲得NCA。但受Al3+、Ni2+、Co2+的溶度積不同的影響，使得原子級別的均勻混合難以實現(xiàn)。為了有效解決三種元素的不均勻沉淀問題，進(jìn)行了下列的實驗，從而更好地進(jìn)行電池正極材料的制備。

2.1實驗

通過共沉淀法，制備Ni0.8Co0.15Al0.05（OH）2前驅(qū)體。具體來說，首先準(zhǔn)備100mL去離子水，并將NiSO4·6H2O、CoSO4·7H2O加入到去離子水中，其質(zhì)量分別為42.056g、8.433g，在溶解的作用下，獲得溶液A;其次準(zhǔn)備100mL去離子水，將3.3322gAl2（SO4）3·18H2O溶解于其中，在攪拌過程中應(yīng)緩慢加入NaOH（4g），之后再加入13mL的氨水，獲得溶液B;配置300mL2mol/L的NaOH溶液，獲得溶液C，該溶液是用于調(diào)節(jié)反應(yīng)中的PH值[2]。將一定量的去離子水加入到玻璃反應(yīng)釜（1.2L）中，之后加入適量的氨水，倒入溶液C進(jìn)行PH值的調(diào)節(jié)，最終使得PH值為10.7。以相同的速率將溶液A、B加入到反應(yīng)釜中，需要注意的是，溶液需在10h內(nèi)流完，然后加入溶液C，使得PH值保持在10.6～10.7。如此反復(fù)進(jìn)行1800min，最終取出產(chǎn)品，并通過去離子水對其進(jìn)行清洗，待清洗干凈后，將其放在普通烘箱（100℃）進(jìn)行烘干。待其烘干后，取出并研磨，裝在樣品管中。

通過煅燒法，制備LiNi0.8Co0.15Al0.05O2。首先取出一定量的前驅(qū)體，將其放入馬弗爐中，并在500℃的條件進(jìn)行6h處理;其次按照摩爾比1：1.05，將其與LiOH·H2O進(jìn)行充分研磨;然后將氧氣通入管式爐中，在550℃的條件下，預(yù)燒6h，在700℃下煅燒12h，最終完成LiNi0.8Co0.15Al0.05O2（NCA）的制備[3]。

2.2結(jié)果

在完成NCA的制備后，需對其進(jìn)行檢測。本次檢測采用的儀器有是Miniflex-600X型X射線多晶粉末衍射（XRD）儀表、JSM-7500F型掃描電子顯微鏡（SEM），分別對樣品的結(jié)構(gòu)和物相組成、樣品的表面形貌和顆粒大小分布進(jìn)行觀察。通過儀器觀察與相關(guān)分析得知，NCA材料前驅(qū)體具有較好的完整度和均勻性，Ni、Co、Al三種金屬元素均勻分布在微米球中，實現(xiàn)了元素的均勻混合。

3.NCA材料的電化學(xué)測試

在0.1C的電流倍率下，將NCA材料首次放電容量為167.1mAh·g-1，經(jīng)過200次充放電后，容量保持率約為96.2%，這與陽離子混排、穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)相對應(yīng)。其中，0.1C條件下NCA材料首次和200次充放電以及循環(huán)壽命曲線，如下圖1所示。

在0.1C條件下，NCA的放電容量平均為184.0mAh·g-1，當(dāng)電流倍率達(dá)到10C時，其放電容量達(dá)到了112.7mAh·g-1。倘若此時，將電倍率將至0.1C時，其放電容量可達(dá)到179.7mAh·g-1。由此可知，該材料具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，其倍率性能良好。

4.結(jié)束語

總而言之，鋰離子電池是現(xiàn)階段應(yīng)用較廣的一種電池，為了保障電池的耐久性、持續(xù)性，則需要對其進(jìn)行不斷研究和開發(fā)，特別是正極材料的研發(fā)。通過有效提高正極材料的性能，從而提高鋰離子電池的性能。NAC材料是一種改良后的三元材料，其具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、循環(huán)性能高等特點，是一種重要的正極材料，其符合鋰離子電池對正極材料的性能要求，從而推動鋰離子電池的發(fā)展，在電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中起到積極作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]徐可，游才印，王欽，等.鋰離子電池正極材料LiFePO4/C的制備及電化學(xué)性能研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報，2016，32（1）：96-99.

[2]葉群麗.鋰離子電池正極材料的制備與電化學(xué)性能[J].廣州化工，2016，11（10）：33-34.

[3]蔣世芳，孟煥菊，張宇棟，劉雙，陶占良，陳軍.鋰離子電池正極材料LiNi_（0.8）Co_（0.15）Al_（0.05）O_2的制備及電化學(xué)性能[J].稀有金屬材料與工程，2019，48（02）：678-682.