《基於鋰離子電池材料用四氧化三鈷的綠色製備技術基礎》是依託清華大學，由徐盛明擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於鋰離子電池材料用四氧化三鈷的綠色製備技術基礎
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：徐盛明
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
高性能四氧化三鈷是鋰離子電池正極材料的關鍵原材料，也是鋰離子電池用負極材料的研究熱點。我國的四氧化三鈷產量大且增長快，但現有工藝卻存在品質難以精準控制和氨氮污染嚴重等問題，且人們對鈷鹽-鹼-水系合成四氧化三鈷的反應機理及其顆粒粒度/形貌、晶體結構與電化學性能關係尚存爭議。本項目擬研究無氨體系的微/納米級Co3O4的綠色合成工藝；探討溶液濃度、pH、溫度、攪拌速率等參數與粒徑大小、粒徑分布、形貌等之間的關係；高分子添加劑種類及用量對Co3O4的形貌、晶體結構、微組織結構及缺位等的影響；揭示四氧化三鈷粒徑的大小與分布、形貌、元素摻雜改性等對初始比容量、容量保持率、耐高低溫性能等電化學性能的影響規律和無氨反應體系的沉澱熱力學與動力學、Co(OH)2的受控熱分解行為及Co3O4晶體的生長機理，擬建立合成工藝-微結構形貌-充放電機理-電化學性能的關聯模型，以實現功能導向的材料結構設計與可控制備。
結題摘要
過渡金屬氧化物（如Co3O4、MnCo2O4等）因具有較高的理論比容量而成為當前的研究熱點。針對Co3O4形貌等微觀結構控制機理不明晰，且微觀結構與電化學性能之間的影響機制研究不深入的現狀，本項目採用綠色合成工藝合成了系列微/納米級Co3O4、MnCo2O4等；闡明了溶液濃度、pH、溫度等參數與粒徑大小、粒徑分布、形貌等之間的控制機制；明晰了高分子添加劑種類及用量等對Co3O4、MnCo2O4的形貌、晶體結構、微組織結構及缺位等的影響規律；揭示了產品粒徑的大小與分布、形貌等對初始比容量、容量保持率等電化學性能的關聯規律；明確了前驅體的受控熱分解行為及Co3O4、MnCo2O4晶體的生長機理；推導了合成工藝-微結構形貌-充放電機理-電化學性能之間的內在規律，實現了功能導向的材料結構設計與可控制備。其主要成果如下：（1）採用液相沉澱法和水熱法分別製備了片狀和球形的CoCO3，並採用固相熱分解法合成了對應形貌的Co3O4。結果表明：片狀Co3O4的電化學性能要明顯優於球形的，但水熱法合成產品的形貌一致性更好。（2）通過改變表面活性劑的種類和溶劑配比，製備了不同形貌的CoCO3，經熱處理後製備了一系列新穎的微/納米Co3O4。結果表明：該類微米級的立方、多面體和紡錘體顆粒均是由相似的不規則的納米粒子（直徑約為20-200nm，厚度約為20-40nm）相互堆砌而成；煅燒後的Co3O4基本繼承了前驅體CoCO3的形貌特徵與尺寸大小；該類Co3O4均具有較高的首次放電比容量（在0.1C條件下約為1300.0mAh•g-1），在低倍率條件下容量保持率均較理想（在0.1C條件下循環50次後，容量保持率大於95.0%），其中紡錘體的倍率性能最優（在1C和2C條件下循環70次後，容量保持率高達90.1%和98.9%）。（3）通過改變表面活性劑種類和尿素的用量分別製備了不同形貌（橢球型和球型）微/納米MnCo2O4。結果表明：橢球型MnCo2O4顆粒具有核殼結構和濃度梯度的結構特點，在0.4A•g-1條件下，50次循環後其放電比容量大於620.0mAh•g-1；且經多次充放電後，其橢球形貌、核殼結構與濃度梯度均能保持；具有濃度梯度和核殼結構的球型MnCo2O4的循環性能與倍率性能要優於不具備該結構特徵的樣品。
