Zr改性LiNi_0.9Mn_0.1O₂正极材料的制备及电化学性能研究

摘要

锂离子电池具有体积小、工作温度范围宽和高能量密度等特点，已被广泛应用于新能源汽车动力电池、储能等领域．在众多锂离子电池材料中，富镍无钴正极材料LiNi_0.9Mn_0.1O₂（NM）因其优异的放电比容量、较低的生产成本和环境友好性而成为研究热点．但该材料同时也存在循环稳定性差、Li⁺/Ni²⁺混排严重和电解液侵蚀造成的材料结构退化等问题．为了提高NM材料的电化学性能，采用高剪切强化共沉淀法在材料前驱体中嵌入Zr进行改性，研究了Zr嵌入对材料晶体结构与形貌、循环性能、倍率性能、电荷转移阻抗和Li⁺迁移速率等方面的影响．研究表明，在优选的条件下制备出的改性材料LiNi_0.9Mn_0.08Zr_0.02O₂（NM-2Zr）具有优良的层状结构特征和结晶度，Zr改性后提高了材料的Li⁺迁移速率、降低了Li⁺/Ni²⁺混排度．改性材料NM-2Zr的初始放电容量为219.3 （mA·h）/g（25℃，2.7～4.4 V,0.1 C），高于未改性的NM材料(208.3 （mA·h）/g).1.0 C下NM-2Zr的初始放电容量为183.2 （mA·h）/g，循环150圈后容量保持率为87.4%，优于NM材料(178.8 （mA·h）/g,84.6%)．在5.0 C的高倍率下NM-2Zr的初始放电容量为144.8 （mA·h）/g，循环150圈后容量保持率为95.1%，同样优于NM材料(132.5 （mA·h）/g,90.0%)．此外，Zr改性还能显著提高材料的结构稳定性，抑制充放电循环过程中晶间微裂纹的产生和不可逆相变的发生，同时还降低了界面处电荷转移阻抗的增长．

关键词

锂离子电池 / 富镍正极材料 / 无钴材料 / 高剪切强化共沉淀法 / 锆改性

基金资助

国家自然科学基金资助项目(U23A20604)