摘要
锂离子电池以其能量密度高、工作电压高、循环寿命长和环境友好等优点，被认为是21世纪的高效绿色电源，并已广泛应用于手机、笔记本电脑、数码相机等微型电子产品领域。但是目前锂离子电池的能量密度仍然无法满足电动车以及混合动力汽车发展的需求。以二元、三元和富锂为代表的层状正极材料，以其较低的成本、较高的比容量和较好的热稳定性近年来受到了广泛地关注。但是这些层状正极材料仍然存在一些问题，限制了它们的实际和高功率应用。本论文主要通过元素掺杂和表面包覆两种改性策略来提高这些层状正极材料的电化学性能，同时深入研究了它们的结构与性能之间的构效关系。 具体说，一方面本论文运用中子衍射技术，系统研究了元素掺杂对富锂层状材料中Li/Ni混排与电化学性能的影响。采用共沉淀和固相烧结两步法制备了一系列Mg和Al掺杂的富锂层状正极材料。通过电化学性能测试分析发现，Mg、Al掺杂均能改善富锂材料的电化学性能。运用中子衍射对掺杂前后富锂材料的结构分析表明，Mg、 Al掺杂降低了材料的Li/Ni混排度，进而改善了富锂材料的电化学性能。此外，相比于高价态的Al，使用低价态Mg掺杂的富锂材料表现出更低的Li/Ni混排度和更加优异的电化学性能。 另一方面，本论文提出了一种通用的改性层状正极材料的包覆策略。以锂离子导体Li2SiO3或Li2TiO3作为包覆材料，利用Si(OC2H5)4、Ti(OC4H9)4易于水解和过渡金属草酸盐含有结晶水的特性设计了一种原位包覆方法。使用该包覆策略得到的厚度均匀的包覆层不仅可以有效地阻止电极材料表面副反应的发生，而且还能提高电极材料在界面处的电荷转移和锂离子迁移。相比于未包覆的电极材料，经过Li2SiO3或Li2TiO3表面改性的层状正极材料均表现出了较好的循环性能和倍率性能。此外，本论文使用恒压间歇滴定方法对电化学性能提高的原因进行了机理分析。
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