等离子体技术用于锂离子电池高电压正极材料镍锰酸锂的改性研究

Lithium Nickel Manganese Oxide (LiNi0.5Mn1.5O4) is an important cathode material for lithium batteries, and the discharge platform is up to 4.7 V. There are two crystallographic structures for LiNi0.5Mn1.5O4, cation orderly P4332 spinel and disorderly Fd3m spinel. The electrical conductivity of disordered Fd3m lattice is higher than that of orderly P4332 crystal structure by 2.5 orders of magnitude. Many studies have shown that Fd3m spinel is better than P4332 spinel on the electrochemical performance. In general, Fd3m spinel is synthesized at high-temperature, however LiNi0.5Mn1.5O4 will decompose at high-temperature with the generation of LixNi1-xO impurity. This impurity is unfavourable for the electrochemical property and cycle life of LiNi0.5Mn1.5O4. In view of this, this research intends to synthesize orderly P4332 spinel at low-temperature, then process this material in H2 atmosphere under low temperature plasma technology, which lead to the generation of oxygen vacancies and make orderly P4332 LiNi0.5Mn1.5O4 transform to disorderly Fd3m spinel without the formation of LixNi1-xO impurity. This study also intends to process LiNi0.5Mn1.5O4 material in N2 atmosphere under low temperature plasma technology, which achieves the N-doped of LiNi0.5Mn1.5O4, thereby the conductivity and electrochemical properties of the material are improved. Compared with traditional N-doped using NH3 and liquid nitrogen, this method is environmental protection, low cost and energy saving. Finally, the advantages and disadvantages of this two modification material are made for comparison.

镍锰酸锂是一种重要的锂离子电池高电压正极材料，它的放电平台可以高达4.7 V。它存在着两种不同的空间群。一种是镍和锰离子分布无序的Fd3m点阵，另一种是镍和锰离子分布有序的P4332点阵，其中无序的Fd3m点阵要比有序的P4332电导率高2.5个数量级。大量研究表明Fd3m点阵的镍锰酸锂在电化学性能上要优于P4332点阵。一般来讲，无序的Fd3m点阵需要在高温下合成，而镍锰酸锂会在高温下发生分解，导致LixNi1-xO杂相的产生，这对材料的电化学性能和循环是不利的。鉴于此，本研究拟采用在低温下合成有序P4332点阵结构的镍锰酸锂，然后对此材料于低温下在H2氛围下进行等离子体处理，促使材料中氧空位的产生和有序的LiNi0.5Mn1.5O4向无序的Fd3m点阵转变，同时不会有杂相的产生。本研究还打算对镍锰酸锂于N2氛围中进行等离子体处理，实现对其的N掺杂，从而提高材料的导电性和电化学性能。

镍锰酸锂（LNMO）是一种重要的锂离子电池高电压正极材料。此项目在此材料方面的研究内容主要有：（1）通过共沉淀法制备[Ni0.5Mn1.5](OH)4前驱体，然后与锂盐混合焙烧制备镍锰酸锂。（2）通过简单的高温热处理方法成功地在LNMO表面包覆一层导电聚合物聚丙烯腈（cPAN），进行改性研究，提高了材料的电化学性能。（3）通过原位聚合的方法在LNMO表面成功地生长一层导电聚合物PEDOT。包覆改性减少了材料表面的过渡金属离子溶解在电解液中，保持材料结构的稳定性，从而提高材料的循环稳定性。.近年来，三元正极材料（LiNixCoyMn1-x-yO2, NCM）由于具有较高的放电比容量、较好的倍率性能和较低的生产成本而逐步取代传统正极材料钴酸锂，成为动力电池领域备受推崇的主流材料之一。探究三元材料在空气中的储存性能劣化、劣化程度和如何改善材料的储存在实际应用阶段显得尤为重要。此项目在此材料方面的研究内容主要有：（1）发现一种除水除酸的锂离子电池电解液添加剂--N,N-二乙基氨基三甲基硅烷（DEATMS）。（2）制备了一种以DMC/HFE/FEC/MSM为溶剂的高电压电解液（MSM电解液），提高了材料的电化学性能。（3）探究了锂离子电池三元材料材料(NCM622 和 NCM523)在55 °C，80% RH条件下的储存裂变情况及提高材料存储性能的方法。材料的质量增重率与储存时间的1/2次方成正比。对材料进行乙炔黑包覆改性提高其存储性能。纳米尺寸的乙炔黑嵌入到材料表面一次颗粒孔隙和连接处，可以减少储存过程中材料表面气体的吸附，进而减少了吸附系物质和杂质的生成。