煅烧时间对正极材料LiNi0.80Co0.15Al0.05O2浓度梯度结构及电化学性能的影响

将铝溶液按3种不同的流速连续注入,联合共沉淀结晶控制法合成了具有核壳结构的Ni_0.80Co_0.15Al_0.05(OH)₂前驱体,即内核为均相组成的Ni_0.88Co_0.12(OH)₂,外壳为Ni、Co和Al含量呈连续变化的Ni_0.72Co_0.18Al_0.10(OH)₂。将该前驱体与LiOH·H₂O混合均匀,在700℃的氧气气流下进行煅烧,通过控制煅烧时间使材料中Ni、Co和Al扩散形成含量呈连续梯度变化的且具有类球形形貌的LiNi_0.80Co_0.15Al_0.05O₂正极材料。梯度结构中Ni、Co和Al的分布情况直接影响材料的电化学性能和结构稳定性。当煅烧时间为12 h时,从颗粒的核心到表面,Ni含量(原子分数)由0.855下降至0.732,Al含量由0.003增加至0.115,Co含量维持在0.142~0.163之间,而表面组成为LiNi_0.732Co_0.153Al_0.115O₂。此时材料具有良好完整的层状结构且Li⁺/Ni²⁺混排程度最低,在0.2C下的放电比容量为201.3 mAh·g^-1,略低于均相LiNi_0.80Co_0.15Al_0.05O₂的放电比容量(205.8 mAh·g^-1);以0.2C充电、1C放电循环200周后,其容量保留率为71.6%,优于均相组成的材料(54.6%)。这是因为镍含量低而铝、钴含量高(相对于均相材料)的外层可以有效抑制充放电循环过程中引起颗粒体积的各向异性变化,减少电极极化,从而减缓极片表面裂纹的生成和扩展,降低电池的电荷传递阻抗,从而提高循环稳定性和结构稳定性。该材料合成过程中只有在铝溶液流速切换时使pH值发生小幅度的波动,但很快恢复到稳定,可以保证前驱体具有良好的结晶性,使核壳结构易设计、控制;而后通过调控煅烧时间合成LiNi_0.80Co_0.15Al_0.05O₂,有利于进一步地精准设计材料的浓度梯度结构。