毕设答辩汇报演示

1、材料科学与工程学院材料科学与工程学院 LiNi LiNi0.50.5CoCo0.20.2MnMn0.30.3OO2 2的合成工艺的合成工艺 优化及稀土离子掺杂改性研究优化及稀土离子掺杂改性研究 汇 报 人：霍文 指导老师：张卫华1 2 3 4课题研究背景及实验内容雾化热分解合成LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的工艺优化实验NCM523正极材料的稀土离子掺杂改性实验结论LiCoO2 的理论比容量为274mAh/g，但实际充放电过程中，LiCoO2 中的可逆脱嵌的Li+仅为0.5 个单元，因此其实际容量为140mAh/g。LiNiO2比LiCoO2便宜，容量可达130mAh/g以上，但镍很难

2、氧化为Ni4+，易产生缺锂的氧化镍锂，热处理温度过高氧化镍锂容易分解，实际上很难批量制备层状结构良好的氧化镍锂。LiMn2O4成本低，但高倍率下容量只能达到90mAh/g，且容易由于锰的溶解、杨-泰勒效应而发生缓慢衰减。LiNixCoyMnzO2系列材料综合了LiNiO2的高比容量，LiCoO2良好的循环性能，及LiMnO2的低成本等优点，使镍钴锰元素发挥协同效应，形成一个三种嵌锂氧化物的共熔体，使其综合性能优于单一组分，各个元素的比例对于三元材料的电化学性能影响较明显。选题背景LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的合成工艺优化前驱体产率优化如何提高前驱体产率？（1）该冲击雾化为超声雾化（2

3、）重新确定前驱体溶液配比（3）向溶液中加入气液表面扩张剂。（3）改变前驱体粉末收集方式，降低收集过程中的损耗 原工艺优化工艺雾化方式溶液配比粉体收集雾化效率前驱体产率损耗率冲击雾化3.4%水溶液干法100恒温9g/h0.15g/h50%超声雾化3.66%H2O-乙醇溶液饱和Li2CO3溶液收集28g/h0.67g/h30%LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的合成工艺优化优化工艺合成的前驱体性能评价表3-2前驱体EDS元素含量分析元素重量百分比原子百分比Mn26.2327.56Co23.0222.55Ni50.7549.891 . 5 0u m0.8um表面褶皱不规则颗粒，800nm1500

4、nm前驱体中镍钴锰组分基本符合5：2：3010203040504042444648505254565860 CAP(mAh/g)Cycles1C pritineLiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的合成工艺优化优化工艺合成的前驱体性能评价图3-5 850超声雾化热分解NCM523前驱粉体循环性能曲线18.92，38.23，44.52，64.49附近出现了-NaFeO2型层状结构特征峰的雏形，半峰宽比较大，64附近分峰不明显，材料层状结构不完整。 I（counts)LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的合成工艺优化锂补偿及热处理热处理气氛影响显著性0102030405020406080100

5、120140160 Cap.mAh/gCycles管 式 炉 通 氧 气 0.5C 管式 炉 通 空 气 0.5C 马弗炉 0.5C1020304050020406080100120140160180Cap. / (mAh/g)Cycles 20%-1C 40%-1C 60%-1C 80%-1C 90%-1C 100%-1C图3-9 不同锂补偿比例条件下合成850-8h-KNCM样品充放电循环曲线01020304050020406080100120140160180200 CAP/(mAh/g)Cycles 30%-1C 40%-1C 60%-1C 80%-1C 100%-1C 90%-1C

6、图3-10不同锂补偿比例合成850-8h-ONCM样品充放电循环曲线LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的合成工艺优化锂补偿及热处理0102030405080100120140160180 Cap/(mAh/g)Cycles 空 气 LiAc80% 氧 气 LiAc80%图3-13 不同气氛下Li补偿-热处理XRD对比图：80%LiAc-O2样品与80%LiAc-空气样品均在18.5，38.2，44.5，64.5出现了明显的层状结构特征峰，半峰宽值减小， 64.46与64.49处出现了明显分峰，说明经锂补偿和热处理之后，材料层状结构完整性提高。图3-14不同热处理气氛下80%LiAc补偿样品

7、充放电循环曲线LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的合成工艺优化锂补偿及热处理I（counts)NCM523的高产化i)前驱体溶液配方，乙酸锂:乙酸镍:乙酸钴:乙酸锰=10:5:2:3(摩尔比)为溶质，去离子水混合20%无水乙醇(气-液表面扩张剂)为溶剂，配制3.66wt% (按LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)前驱体溶液。ii)将雾化方式由冲击雾化改为超声雾化之后，前驱体溶液雾化效率提高3倍，NCM523正极材料的产率提高3.5倍。iii)改良前驱体收集工艺，以饱和Li2CO3溶液收集之后损耗率降低20%，NCM523散逸量降低，清洁环保。NCM523前驱体锂补偿及热处理管式炉通空气

8、(5L/min)对NCM523前驱体进行80%LiAc (Li/NCM摩尔比)补偿电化学性能最佳，25下，3.04.5V电压范围，1C倍率首次放电比容量144.18mAh/g，50次循环后保持87.5%。LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的合成工艺优化小结LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料Y3+的掺杂图4-3 不同比例Y3+掺杂NCM523充放电循环曲线样品a(nm)c(nm)c/aI(003)/I(104)未掺杂2.861314.32935.00790.623掺杂0.6%Y3+2.867814.19354.94920.731表4-1Y3+掺杂NCM523晶胞参数计算结果（00

9、3）（104）I（counts)YLiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料Y3+的掺杂图4-4b 掺杂0.6%Y3+NCM523样品SEM 图像 图4-4d 未掺杂的NCM523样品SEM 图像粉体颗粒呈较规整的、光滑的球形微粒，尺度分布均匀，基本介于纳米-亚微米，存在部分孔隙。颗粒发生团聚，尺度分布不均匀，留有大量孔隙。LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料Nd3+的掺杂图4-6 不同比例Nd3+掺杂NCM523充放电循环曲线（003）（104）样品a(nm)c(nm)c/aI(003)/I(104)未掺杂2.861314.32935.00790.623掺杂0.4%Nd3+2.

10、882314.32794.97090.869表4-2掺杂0.4%Nd3+晶胞参数计算结果I（counts)LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料Nd3+的掺杂图4-7b) 掺杂0.4%Nd3+NCM523正极材料SEM图像图4-7d 未掺杂的NCM523正极材料SEM图像颗粒尺寸分布均匀且较小，颗粒间孔隙小颗粒发生团聚，尺度分布不均匀，留有大量孔隙。LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料Er3+的掺杂图4-9 不同比例Er3+掺杂样品充放电循环曲线样品a(nm)c(nm)c/aI(003)/I(104)未掺杂2.861314.32935.00790.623掺杂0.5%Er3+2

11、.867814.19354.94931.014表4-3 0.5%Er3+掺杂NCM523晶胞参数计算结果I（counts)（003）（104）LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料Er3+的掺杂图4-10a 0.5%Er3+掺杂NCM523SEM图像 图4-10c 未掺杂NCM523SEM图像粒径均匀的球形颗粒，介于亚微米尺度之间，颗粒分散均匀,留有宽窄较一致的孔隙。颗粒发生团聚，大小分布不均，颗粒间孔隙较大。LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料稀土离子掺杂小结 未掺杂未掺杂掺杂掺杂0.40.4%Nd3+掺杂掺杂0.60.6%Y3+掺杂掺杂0.50.5%Er3+首次放电比容量

12、（mAh/g)144.18157.93168.11167.5平均放电比容量（mAh/g)136.75147.35166.14154.0450次循环保持率 (%)87.988.793.585晶胞参数c/a0.6230.8690.7311.014电池样品电池样品平均放电比容量提高（平均放电比容量提高（%） 5050次循环保持率提高（次循环保持率提高（%）掺杂0.4%Nd3+7.75%0.8%掺杂0.6%Y3+21.5%5.6%掺杂0.5%Er3+17.29%-2.9% 表p-a：稀土掺杂性能参数表 表p-b:稀土离子掺杂性能改善结论（1）超声雾化热分解工艺的优化：i)前驱体溶液配方，乙酸锂:乙酸镍:乙酸钴:乙酸锰=10:5:2:3(摩尔比)为溶质，去离子水混合20%无水乙醇(气-液表面扩张剂)为溶剂，配制3.66wt% (按NCM523)前驱体溶液。ii)将雾化方式由冲击雾化改为超声雾化之后，前驱体溶液雾化效率提高3倍，NCM523正极材料的产率提高3.5倍。iii)改良前驱体收集工艺，以饱和Li2CO3溶液收集之后损耗率降低20%，NCM523散逸量降低，清洁环保。（2）锂补偿及热处理工艺优化：管式炉通空气(5L/min)对NCM523前驱体进行80%LiAc (Li/NCM摩尔比)补偿电化学性能最佳，25下，3.04.5V电压范围，1C倍率首次放电比