探究性化学实验报告-锂离子电池钴酸锂正极材料的制备及性能研究

题目：锂离子电池钴酸锂正极材料的制备及性能研究

扬 州 大 学 探 究 性 实 验 报 告 学 生 姓 名：** 所 在 学 院：化 学 化 工 学 院 专 业 班 级：高材*** 指 导 教 师：****** 完 成 日 期：20**年*月***日

锂离子电池钴酸锂正极材料的制备及性能研究

一、实验研究的目的

1. 以不同锂源分别与碱式碳酸钴反应制备正极材料LiCoO 2，并测试其电化学性能。

二、实验研究的背景

作为锂离子电池正极材料的LiCoO 2首先是由Mizushima 等人[1]于1980年提出来的到1990年日本的Sony 公司将钴酸锂作为锂离子电池的正极合成二次电池[2]并且正式商品化。LiCoO 2具有三种结构，即层状结构，面心立方结构和岩盐相的钴酸锂[3]。其中层状结构的钴酸锂电化学性能相对比较稳定，比容量高，较高的工作电压，平均电压能达到 3.7 V；平稳的充放电电压能保证电池平稳的充放电，适合于大电流充放电；较好的循环性能和导电性能等。因此层状结构的LiCoO 2是目前商业化的主要材料，在锂离子电池正极材料的市场中占有重要份额。此外，钴酸锂的理论电容量高达 273 mAh·g -1，但钴酸锂电池实际充放电容量只有150 mAh·g -1 左右，它的潜能只开发了50~60%，依然有40%多的容量有待开发使用。

合成钴酸锂的方法有很多，例如高温固相合成法、 低温固相合成法[4]、 溶胶 - 凝胶法[5]、水热合成法[6]、沉淀- 冷冻法[7] 、 微波合成法[8]等。其中采用喷雾干燥法来合成LiCoO 2粉末，能够得到趋于层状的样品。

三、实验所用主要仪器设备和药品

主要仪器设备：X 射线粉末衍射仪（日本理学）、电池测试系统 （新威）、电化学工作站（上海辰华）、手套箱（米开罗有限公司）、真空干燥箱(上海精宏实验设备有限公司) 、粉末压片机（天津仁和仪表有限公司）、电池封口机（合肥科晶）、电子恒速搅拌器、超声波清洗器等。

药品：C 2H 3O 2Li·2H 2O （≥99.0%）、C 6H 5Li 3O 7·4H 2O （分析纯）、无水乙醇（分析纯）、N-甲基吡咯烷酮（>99.90%）等。

四、实验部分

1、LiCoO 2前驱体的制备

称取一定量的[2CoCO3·3Co(OH)2]·xH 2O 放入球磨罐中，设定球磨机的转速

为200 r/min，间歇时间为5 min,球磨6 h取出待用。再按一定化学计量比（Li:Co的摩尔比为1.05:1）称取适量的C 2H 3O 2Li·2H 2O ，C 6H 5Li 3O 7·4H 2O ，LiOH·H 2O 和球磨后的[2CoCO3·3Co(OH)2]·xH 2O 。根据锂源的不同，用去离子水将3种不同的锂盐与球磨后的碱式碳酸钴分别配制成3份溶液，用喷雾干燥的方法制备出颗粒细小，均匀的前驱体并放入带盖的陶瓷坩埚中待用。

2、活性物质LiCoO 2材料的制备

将装有制备好的前驱体的坩埚放进箱式炉中，设置温度为500℃煅烧6h, 自然冷却至室温再次充分研磨；然后把样品再次放入箱式炉，设定温度为850℃煅烧12h, 自然冷却至室温收集所得样品。将煅烧后的样品充分研磨，过筛得到颗粒大小均匀的正极材料LiCoO 2待用。

3、电极的制备及电池的组装

采用CR2016型扣式电池测试复合电极材料电化学性能。按质量比8:1:1分别称取电极活性物质、碳黑和聚偏四氟乙烯(PVDF)粘合剂(PVDF/NMP溶液) ，置于5 mL小烧杯中混合磁力搅拌4 h，获得混合均匀的电极浆料。将浆料均匀涂布于大小一定的铝箔上，厚度为150 nm，在70℃烘箱中烘0.5-2 h，干燥后的极片冲切成直径为12 mm电极片。放入真空干燥箱中抽真空并设置温度为120℃左右干燥，时间大约12 h，待干燥箱冷却至50℃以下取出电极片放入手套箱备用。电解液为1 MLiPF6-EC/DMC(1:1，v/v)，对电极用金属锂片，采用ENTEK ET20-26隔膜，装配成CR2016型扣式电池。加入弹片做为填充物，可防止扣式电池内部接触不良。

五、结果与讨论

1 XRD测试及分析

图5-1 不同方法合成LiCoO 2的XRD 图

图5-1是以醋酸锂为锂源，分别采用传统高温固相法与喷雾干燥法合成钴酸锂粉末的XRD 图谱。图A 为喷雾干燥法制备的钴酸锂的XRD 图谱，图B 为高温固相法合成钴酸锂的XRD 图谱。两幅图在(003)与(101)晶面之间没有多余的杂峰，而图B 在(015)与(107)晶面之间有杂的衍射峰，说明高温固相法制备的钴酸锂粉末纯度没有喷雾干燥法合成的钴酸锂高，含有较多的杂质。(018)和(110)晶面衍射峰间隔分明，但是A 图的衍射峰相对于B 图更加的尖锐，说明喷雾干燥法制备的钴酸锂具有较完善的层状结构。综合以上分析可以知道，喷雾干燥法能够制备出纯度和结晶度较高的钴酸锂粉末，明显地改善了钴酸锂粉末的结构以及纯度。