【摘要】：工業(yè)上通常采用高溫固相合成法制備Li(Ni_xCo_yMn_z)O_2(LNCM)三元鋰離子電池正極材料,在燒成時使用莫來石或堇青石質匣缽材料作為盛裝容器。在高溫煅燒三元鋰離子電池正極材料的過程中,匣缽材料由于受到LNCM的侵蝕,使用壽命大幅降低;另一方面,侵蝕反應也使三元鋰離子電池正極材料受到污染,降低了產品質量。因此,開發(fā)新型抗三元鋰離子電池正極材料侵蝕的匣缽材料,對提高匣缽的使用壽命,增加經濟效益具有重要意義。堿鋁硅酸鹽類物質如鉀霞石(KAlSiO_4,KAS_2)和白榴石(KAlSi_2O_6)是高溫堿工業(yè)中鋁硅系耐火材料受侵蝕的產物,這類物質在高溫高堿的環(huán)境中比較穩(wěn)定,且具有較高的熔點(分別為1750°C和1690°C)。此外,由于K和Li元素在元素周期表中位于同一族,它們的化合物具有相似的化學性質,KAS_2可能與LNCM反應弱,故將其作為抵抗LNCM侵蝕的材料具有一定的可能性。目前還沒有將KAS_2應用于三元鋰離子電池正極材料煅燒用匣缽材料的研究報道。本課題選取KAS_2作為研究對象,通過高溫固相合成法制備出KAS_2,考察了KAS_2與匣缽材料細粉及LNCM的之間的界面反應,研究了KAS_2的添加量對匣缽材料性能的影響,探索了將KAS_2應用于三元鋰離子電池正極材料煅燒用匣缽材料的可能性。首先,通過高溫固相合成法,以碳酸鉀、工業(yè)氧化鋁粉和硅微粉為原料,在1200°C保溫6 h合成了高純度的KAS_2。第二,本工作研究了KAS_2與不同的耐火材料組元在匣缽材料的燒成溫度1370°C的反應情況。結果表明,在1370°C保溫3 h的條件下,KAS_2不與剛玉和鎂鋁尖晶石發(fā)生反應;與莫來石發(fā)生反應但沒有生成低熔點的物相;與堇青石反應并生成了低熔點的物相,致使試樣嚴重變形。因此,KAS_2可能適用于剛玉、鎂鋁尖晶石和莫來石質的匣缽材料體系中,而不適用于堇青石質的匣缽材料體系中。第三,研究了KAS_2與LNCM在三元電池正極材料的煅燒溫度區(qū)間800~1100°C的反應行為。本實驗將KAS_2細粉與LNCM以質量比7:3的比例混合、壓制成型為圓柱試樣,并使用箱式電阻爐在800~1100°C煅燒。XRD和EDS的結果表明,當煅燒溫度高于900°C時,Al~(3+)通過固溶從KAS_2中進入LNCM的晶體結構中;當煅燒溫度達到1100°C時,Ni~(2+)、Co~(2+)和Mn~(2+)由LNCM中向KAS_2的晶體結構中擴散。由SEM觀察可見,盡管KAS_2與LNCM發(fā)生了離子固溶反應,但它們之間的界面仍清晰可見,沒有觀察到反應層。因此,將KAS_2應用于煅燒LNCM的匣缽,有望提高匣缽材料的抗侵蝕性能。第四,研究了KAS_2的添加量對剛玉-莫來石和剛玉-尖晶石質匣缽材料的常溫強度、高溫強度和熱震穩(wěn)定性等性能的影響。結果表明,添加適量的KAS_2促進了試樣的燒結。添加3%和6%KAS_2的試樣的常溫和高溫強度均明顯提高。剛玉-莫來石試樣燒結性能的提高主要依賴于反應生成的鋁硅酸鉀對莫來石顆粒的連接作用;而剛玉-尖晶石試樣燒結性能的提高可能是由于鉀霞石的存在使試樣中產生更多的液相,促進了剛玉和尖晶石顆粒的燒結。添加9%KAS_2的試樣的常溫強度降低,這可能是因為試樣中存在有過多的鉀霞石或生成過多的白榴石相,它們的熱膨脹系數比剛玉、尖晶石和莫來石高得多,使試樣在冷卻過程中產生過多的微裂紋,造成其強度降低。第五,研究了KAS_2的添加量對剛玉-莫來石和剛玉-尖晶石質匣缽材料抗LNCM侵蝕性能的影響。結果表明,不同KAS_2添加量的剛玉-莫來石試樣受LNCM侵蝕后的侵蝕層具有相似的四層結構:(Ni,Mn,Co)Al_2O_4尖晶石層,Al_2O_3-SiO_2相變質層,Al_2O_3-SiO_2相滲透層和未變層。不同KAS_2添加量的剛玉-尖晶石試樣的侵蝕層具有相似的三層結構:(Mg,Ni,Mn,Co)Al_2O_4尖晶石層,LiAlO_2變質層和未變層。對于剛玉-莫來石和剛玉-尖晶石質匣缽材料來說,由于不同KAS_2添加量的同種匣缽材料的抗LNCM侵蝕效果相近,因此基于實驗室較短的抗渣實驗時間(24 h)無法對其抗侵蝕性能的優(yōu)劣得出明確的結論。
【圖文】：

鋰離子電池工作原理示意圖

圖1.2層狀結構的LiTiS2,LiVSe2,LiCoO2,LiNiO2和LiNiyMnyCo1-2yO2
【學位授予單位】：鄭州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ131.11;TM912

【參考文獻】

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本文編號：2682531