摘要
为加强生态文明建设，开发应用新能源刻不容缓。锂离子电池(LIBs)作为一种新型高性能储能器件，近年来受到广泛关注。随着社会经济的发展，新一代电子器件对LIBs提出了更高的要求。由于正极材料的比容量比负极材料低得多，且其在电池质量及成本中占比高达～40％，所以通常认为正极材料是高性能LIBs的主要限制因素。三元层状氧化物(LiNi1-x-yCoxMnyO2或xLi2MnO3·(1-x)LiMO2，M=Ni，Co，Mn等），由于其优异的综合性能，是目前最为流行也是极具发展前景的正极材料。但是，其仍面临着如结构恶化、容量损失、表面副反应等问题。从实际应用的角度看，综合考虑能量密度、稳定性以及安全性，从而合理地设计三元材料的成分以及结构仍然面临着巨大的挑战。 本论文通过对三元层状氧化物正极材料进行合理的结构设计改性，并对相关反应机理以及构效关系进行分析验证，从而发掘新型正极材料的设计思路。主要的工作内容包括: 1.系统研究了铌(Nb)掺杂对一维纳米结构LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的影响。研究表明，Nb掺杂能够抑制材料的阳离子混排，提高材料结构稳定性，并且能够削弱电化学极化，提高Li+扩散系数。此外，由于价态补偿，Mn4+部分还原为Mn3+，提高了导电性与循环稳定性。因此，Nb掺杂LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2拥有更优异的电化学性能。在0.1C倍率下，首次循环可释放出200.4mAh·g-1的比容量，首效为92.3％。在5C倍率下，循环200次后，能释放出118.7mAh·g-1的比容量，循环保持率为83.3％。 2.采用静电纺丝技术，通过对PAN热解以及Nb掺杂LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2(Nb-NCM)形成（包括成核以及随后的生长过程）的精确控制，首次成功合成了Nb-NCM纳米带。实验结果表明，纳米带的形成经历了从纳米纤维到纳米管再到由初级纳米颗粒组成的纳米带的形貌演化过程。同时，Nb-NCM纳米带显示出良好的电化学性能。在1C倍率下，循环100次后，能够释放出148.9mAh·g-1的比容量。在2C和5C倍率下，循环200次后，分别能够释放出127.5和109.6mAh·g-1的比容量。 3.采用抽滤成膜方法成功制备了自支撑Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2/MWCNTs结构电极，并将其应用于高能量密度LIBs。通过构筑良好的三维导电网络，使自支撑电极具有良好的电化学性能。在0.1C倍率下，首次循环可释放出318.2mAh·g1的比容量，首效可达91.1％。在1C倍率下，循环200次后，能够释放出209.2mAh·g-1的比容量，循环保持率达95.9％。此外，与传统电极相比，在极片面积一定的情况下，自支撑电极总质量可减轻47％，活性物质的负载量可提升2倍。
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