鋰離子電池正極材料鈮摻雜LiNiO2的制備與電化學性能

黃麗穎，陸冬楚，寧玉雪，胡婷婷，陳 晴，黃國欣，蘇 靜，文衍宣

（廣西大學化學化工學院，廣西南寧 530004）

鋰離子電池自20世紀90年代商業化以來，其應用領域已從便攜式電子設備擴展到了電動汽車和儲能領域［1-2］。正極材料在決定電池性能和成本方面起著關鍵作用。在現有的正極材料中，高鎳層狀正極材料（如LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2和LiNi0.8Co0.15Al0.05O2）具有較高的比容量（＞200 mA·h/g）和工作電壓（約為3.8 V），是具有應用價值的鋰離子電池正極材料［3-4］。但鋰離子電池的大規模應用引發了人們對原材料的擔憂，即鈷的高成本和資源稀缺性成為了LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2和LiNi0.8Co0.15Al0.05O2等高鎳層狀正極材料廣泛應用的主要障礙［1，4］。由于高鎳/無鈷層狀正極材料可以增加容量，避免鈷資源的限制和成本的降低，因此對此類材料的研究開發越來越受到重視［5］。而LiNiO2基層狀化合物也就成為高鎳/無鈷層狀正極材料的發展方向之一［6］。

雖然LiNiO2基正極材料成本低、能量密度高，但其實際應用仍受到容量衰減、倍率性能差和熱穩定性差的限制［7］。因此，為了克服LiNiO2基正極材料的缺點，對其合成工藝、表面涂層以及離子摻雜做了較多的研究［6-8］。其中金屬離子摻雜是一種提高LiNiO2結構穩定性和循環穩定性的有效途徑［7-8］。LiNiO2的金屬離子摻雜按照摻雜離子特性可分為3種方式［8］。一是摻雜具有強M—O鍵的金屬離子［7］，例如Al3+［ΔH298K（Al—O）=512 kJ/mol］、Ti4+［ΔH298K（Ti—O）=662 kJ/mol］、W6+［ΔH298K（W—O）=672 kJ/mol）］、Zr4+［ΔH298K（Zr—O）=760 kJ/mol］等。利用強的M—O鍵增強層狀結構的穩定性，抑制陽離子混合和在電極/電解質界面的副反應，從而提高循環穩定性。例如，摻雜了Al3+的LiNi0.95Al0.05O2［9］在0.5C循環200次后放電比容量為180 mA·h/g，而沒有摻雜的LiNiO2僅為86 mA·h/g。……