超细四氧化三钴的合成与电化学性能研究-物理化学专业毕业论文.docx

摘要
锂离子电池是新一代高能二次电池。它具有工作电压高,容量高,寿命长和热稳定性好的优点。因此,自 1991 年投入市场以来,其生产规模在飞速发展,应用领域也日益扩展。
超细 Co3O4 材料是目前工业上生产锂离子电池正极材料 LiCoO2 最重要的钴源,它的纯度、颗粒形貌、粒度分布等性质,直接关系到制得 LiCoO2 的相关性能。因此,选用简单易行的方法合成形貌规整、颗粒均一性好的超细 Co3O4 材料,对于工业上生产低成本、颗粒均匀、性能更优的 LiCoO2 材料有重要的价值;此外, 纳米级 Co3O4 作为锂离子电池负极材料得到了较多的研究,证明纳米 Co3O4 负极材料具有良好的电化学性能,但是对于微米级超细 Co3O4 材料用作锂离子电池负极材料的研究比较少。因此,对合成的微米级超细 Co3O4 负极材料进行电化学性能测试,研究微米尺度 Co3O4 负极材料的电化学性能,则有一定的研究价值。基于上述目标,本论文主要从以下方面开展了研究工作。
一、液相沉淀法具有简单易行、成本低、产率高等优点,在工业生产中被广泛应用于无机材料的制备。同时它也存在反应物混合不均匀,反应速率不易控制, 产物粒径分布宽,分散性较差等缺点。因此,采用氨水作为络合剂控制沉淀的生成速率,引入表面活性剂改善沉淀颗粒表面情况控制粒子的形貌和大小,制备了形貌规整、粒径均匀、振实密度高的超细 Co3O4 材料。详细考察了沉淀剂种类、沉淀 pH 值、煅烧温度、不同表面活性剂等实验条件对产物形貌和性能的影响。通过草酸盐沉淀法,引入表面活性剂聚乙二醇(PEG10000),制备出 5 µm 左右的玉米棒状 Co3O4 材料,用作锂离子电池负极材料,表现出高达 mAh/g 首次可逆容量,和较好的容量保持能力,远高于文献报道的微米级 Co3O4 负极材料。通过碳酸盐沉淀法,引入聚乙烯醇为分散剂,制备了类球形超细 Co3O4 材料,与三种工业产品进行比较,其振实密度、颗粒的均匀度、分散性、表面形貌等性能已经达到或超过了这些产品。经过进一步的工艺优化有希望实现工业化生产,为生产具有类球形形貌、颗粒均匀的 LiCoO2 材料提供钴源。进一步对合成的材料进行了电化学测试,结果表明大颗粒的微米级 Co3O4 负极材料的首次可逆容量仅有 mAh/g 左右,衰减快,并且大电流充放电性能很差,在 1 C 的电流下基本上没有容量。
二、溶胶-凝胶法具有产物粒子小、比表面积大以及合成温度低等优点,被广泛用于制备各种锂离子电池正负极材料。在第四章的工作中,我们首次采用 P123 作为溶胶-凝胶的有机载体,制备了具有多面体形貌的 Co3O4 材料。对其电化学性能进行测试,其首次可逆容量约为 mAh/g。并对多面体形貌的 Co3O4 材料进
行了不同比率的锡掺杂研究,结果显示锡元素很好的进入了 Co3O4 的晶体结构中,
没有锡氧化物的相出现,并且产物都能保持多面体形貌。电化学测试结果显示, 锡掺杂对多面体形貌 Co3O4 材料的循环性能有一定影响,其中 %锡掺杂样品具有很好的容量保持能力。
关键词:超细四氧化三钴;钴源;负极材料;锂离子电池
ABSTRACT
Lithium ion battery has been widely used in more and more fields because of its high operating voltage, high energy density, large capacity, long cyclic life and high thermal stability since its mercialization in 1991.
Ultrafine Co3O4 material is the most important cobalt source of the cathode material LiCoO2 in lithium ion battery. The purity, particle size, morphology of ultrafine Co3O4 plays a very important role in the obtained LiCoO2 material. Searching for an easy method to prepare ultrafine Co3O4 with good morphology, uniform particle size will be valuable in production. Meanwhile, a lot of researchers have reported that nano-sized C