高镍正极材料铌铝元素共掺杂改性和机理研究.pdf

哈尔滨工业大学硕士学位论文

摘要

为了全球的可持续化发展，电动汽车（EV）越来越受欢迎。因此，需要高容

量和持久寿命的锂离子电池（LIBs）来支撑电动汽车的发展，这使得电池正极材

料的开发成为一个关键的研究领域。在各种正极材料中，高镍NCM正极材料（Ni

含量≥80%）在电子设备、电动汽车和电力储能系统中有很好的应用前景。与

LiNiO2的结构相似，NCM正极材料具有层状六边形结构，空间基团为R-3m，理

论比容量最高为275mAh/g。尽管应用前景不错，但高镍NCM正极面临着重大

挑战，包括Li/Ni阳离子混合、有害的H2-H3相变和二次颗粒微裂纹峰。这些问

题会导致电池循环性能的下降，以及在高压下与电解质的有害副反应。本文针对

这些问题，提出以一种铌铝元素共掺杂的改性方法，研究了该改性方法的最佳工

艺和铌铝元素的作用机理。

本文对Ni0.83Co0.12Mn0.05(OH)2前驱体的煅烧工艺进行了初步摸索。在此基础

上进行Nb和Al元素最佳的单掺杂量的探究，对其物理性能和电化学性能进行

对比，探究两种元素单掺杂的作用机理。Nb5+显著改变的颗粒的表面形貌，但是

Nb5+掺杂是阳离子混排度增加。综合比较，0.5%的Nb5+掺杂稳定了晶体结构，并

最大限度减少了掺杂所带来的不可逆容量损失。Al3+掺杂则降低了材料的Li/Ni

3+

混排度，并显著降低了电极循环过程中的电极极化过程。掺杂量为1.5%Al的材

料有着更好的电化学性能。在此基础上进行Nb/Al元素的最佳的共掺杂量的探

究，结果表明，0.5%Nb5+和0.5%Al3+有着更好的电化学性能。

在最佳的共掺杂量0.5%Nb5+和0.5%Al3+的基础上，探究了最佳的共掺杂煅

烧工艺。结果表明温度为725℃下煅烧15h的共掺杂材料有着最好的电化学性

能。又通过一种改变Nb/Al掺杂顺序的二次煅烧共掺杂工艺，来验证Nb/Al元素

的作用位点问题。结果表明二次煅烧中，先掺杂Al再掺杂Nb的材料在5C高

倍率下，放电比容量达到164.3mAh/g，在1C下循环300周，仍然有着86.97%

的容量保持率。

探究了Nb/Al共掺杂的改性机理，将共掺杂材料与无掺杂和单掺杂材料进行

对比。发现A13+的掺杂抑制了由Nb5+引起的Li/Ni混排度的增加，将阳离子混

排度控制在适当的范围内，提高了NCM材料的电化学性能。Nb5+的掺入使一次

颗粒收缩，提高了晶体结构的密度。而Al3+掺杂能更有效地抑制长周期循环过程

中电极的极化，并且共掺杂循环后的一次颗粒间没有明显的微裂纹。通过Nb5+和

Al3+之间的协同作用改善高镍材料的电化学性能。

关键词：锂离子电池；高镍正极材料；铌掺杂；铝掺杂

I

哈尔滨工业大学硕士学位论文

Abstract

Theglobalshifttowardsamoresustainablefuturehasledtotheriseinpopularity

ofelectricvehicles(EVs)asameansoftransportation.High-capacityandlong-lasting

lithium-ionbatteries(LIBs)arethusrequired,makingthedevelopmentofcathode

materialsforthesebatteriesacrucialareaofresearch.Amongthevariouscathode

materials,Ni-richNCMcathodemate