综合技能训练实验一(锂离子电池NCM正极材料的制备及表征)2010

综合技能训练实验方案题目锂离子电池LiNi1/3Co1/3Mn1sO2正极材料的制备及性能表征一、实验原理采用共沉淀前驱体法合成锂离子电池LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料。实验原理(以氢氧化物沉淀为例)如下：TOC\o"1-5"\h\z1/3Ni2++1/3CO2++l/3Mn2++nNH3+2NaOH ”[Ni1/3Co1/3Mn1/3(NH3)n](OH)2+2Na+ (1)[Ni1/3Co1/3Mn1/3(NH3)J(0H)2 -[Ni1/3Co1/3Mn1/3](OH)2+nNH3 (2)[Ni1/3Co1/3Mn1/3](OH)2+Li2CO3——Li[Co1/3Ni1/3Mn1/3]O2+H2O+CO2(3)二、药品和仪器1、药品：镍盐、钻盐、锰盐(以硫酸盐为佳)、NaOH、NH3・H2O、NH4HCO3、Na2CO3、无水碳酸锂。均为分析纯试剂。2、仪器：常量玻璃仪器(漏斗和滤纸、表面皿、烧杯、10和100ml量筒、锥形瓶、250ml单颈或三颈烧瓶、滴液漏斗、药匙、吸液管、玻棒)、铁架台、磁力搅拌加热装置及附属玻璃仪器、200°C温度计、抽滤装置、循环水式真空泵、坩埚。检测仪器：电子分析天平、差热分析仪、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)。

三、层状LiNi1/3Co1sMn1sO2材料的制备工艺流程图Ni,Co,Mn阳离子混合溶液 沉淀剂锂镍钻锰氧化物四、实验内容1、共沉淀剂的配制配制6mol/dm3NaOH和6mol/dm3NH3・H2O混合溶液100毫升，或Na2CO3的饱和溶液[Na2CO3+NH4HCO3（4：1）]100毫升。2、共沉淀前驱体的合成利用控制结晶法合成镍、钻、锰三元共沉淀物前驱体。沉淀剂分别为NaOH+NH3・H20或Na2CO3+NH4HCO3。以n（Ni）：n（Co）：n（Mn）=1：1：1的比例称取相应量的可溶性镍盐、钻盐、锰盐配成适当浓度的混合溶液,将此混合溶液和适当浓度的沉淀剂，滴加入到反应釜中，控制搅拌速度、pH值、温度。反应一定时间后，陈化、过滤,所得沉淀用去离子水反复洗涤,干燥后得到镍、钻、锰三元共沉淀物前驱体Nii/3Coi/3Mni/3（OH）2或Nii/3Coi/3Mni/3CO3。3、层状LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料的制备以n（Li）:n（Ni1/3Co1/3Mn1/3）=1.05:1的比例将Li2CO3和镍、钴、锰三元共沉淀物前驱体Ni1/3Co1/3Mn1/3（OH）2或Ni1/3Co1/3Mn1/3CO3在研钵中充分研磨，将混合好的原料干燥后取一部分进行热重实验，以确定煅烧条件。将混合好的剩余原料放入干净的坩埚中，并用一定大小的压力将混合物压紧，然后将坩埚放入程序控温箱式电阻炉内，在一定条件下煅烧一定时间，得到目标产物LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料。将烧制好的样品粉碎、研磨，做XRD测定结构，SEM实验观察其形貌。附：以下实验步骤供参考1、共沉淀剂的配制配制6mol/dm3NaOH和6mol/dm3NH3・H2O混合溶液100毫升，或Na2CO3的饱和溶液［Na2CO3+NH4HCO3（4：1）］100毫升。2、共沉淀前驱体的合成方案一：以NaOH+NH3・H2O（浓度为6mol/dm3）混合溶液为沉淀剂合成镍、钴、锰三元共沉淀物前驱体。分别称取11.81克（0.044mol）NiS04・6H20,7.55克（0.044mol）MnS04・H20,12.5克（0.044mol）CoSO4・7H2O配制成100ml镍、钻、锰三元阳离子混合溶液。将混合溶液置于250ml三颈烧瓶或烧杯中，在55oC恒温搅拌下，将NaOH+NH3・H2O的共沉淀剂缓慢滴加入三元阳离子混合溶液中（约每秒一滴），当pH=12.6时，停止加液，继续搅拌2小时，静置陈化3小时，抽滤，并用去离子水反复洗涤，100°C烘干，得镍、钻、锰三元共沉淀物前驱体。方案二：以Na2CO3+NH4HCO3混合溶液为沉淀剂合成镍、钻、锰三元共沉淀物前驱体。分别称取11.81克（0.044mol）NiSO4・6H2O,7.55克（0.044mol）MnSO4・H2O,12.5克（0.044mol）CoSO4・7H2O配制成100ml镍、钻、锰三元阳离子混合溶液。将混合溶液置于250ml三颈烧瓶或烧杯中，在55oC恒温搅拌下，将Na2CO3+NH4HCO3沉淀剂缓慢滴加入金属盐溶液中（约每秒一滴），当pH=7.5时，停止加液，继续搅拌2小时，静置陈化3小时，抽滤，并用去离子水反复洗涤，100C烘干，得镍、钻、锰三元共沉淀物前驱体［Ni1/3Co1/3Mn1/3］CO3。3、 层状LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料的制备以n（Li）:n（Nii/3coi/3Mni/3）=l.°5：l的比例将Li2CO3和镍、钻、锰三元共沉淀物前驱体Ni1/3Co1/3Mn1/3（OH）2或Ni1/3Co1/3Mn1/3CO3在研钵中充分研磨，将混合好的原料干燥后取一部分进行热重实验，以确定焙烧条件。将混合好的剩余原料放入干净的坩埚中，并用一定大小的压力将混合物压紧，然后将坩埚放入程序控温箱式电阻炉内，在空气气氛下先于480oC（升温速度为2oC/分钟）恒温4小时，再升温至900oC（升温速度为2oC/分钟），保温12-16小时后，随炉冷却至室温，取出研磨，得到目标产物锂离子电池LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料。采用扫描电镜（SEM）观察材料的形貌，X粉末衍射实验（XRD）测定其晶型。4、 球磨活化法制备层状LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料高温固相法是制备电池材料最简便的传统方法，原料的均匀混合是保证材料优良性能的前提。在本实验中，我们采用机械活化法对原料进行预处理以期使原料均匀混合，并控制合成材料的粒度。具体实验过程如下：将锂源Li2CO3和Ni、Co、Mn碳酸盐或硫酸盐按计量比混合后加入行星式球磨机中，以乙醇或丙酮作分散剂，以玛瑙球作磨球，循环搅磨6h；将经过机械活化处