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球形锰酸锂电池制备及性能的计算机图像分析

更新时间:2016-07-05

传统的锂钴氧化物的代替物有很多,但是锂离子电池用正极材料锰酸锂由于具有较好的安全性能,同时成本低、资源丰富等特点,已经成为主要的替代物之一。电动汽车的动力电池中也已经开始有了尖晶石型锰酸锂正极材料的应用[1-2]。锂离子电池电极材料球形化一方面可以增强在电极制备过程中浆料的流动性;另一方面使电池的一致性得到增强。电池电极材料球形化对单体电池及电池组的整体品质也会有极大的益处。面对提高锂离子电池性能的迫切需求,锰酸锂材料的球形化已经成为研究的热点[3]

液相法及固相法是制备尖晶石型锰酸锂的两种主要方法。液相沉淀法、溶胶凝胶法、水热合成法等均属于液相法,其基本原理是在液相条件下,将可溶性盐作为原材料,将锰原子及锂原子充分混合。在液相法中,原料可以最大程度地均匀分布,这种方法的优点是可以在低温下,短时间内合成理想尖晶石锰酸锂结构。但是这种方法无法进行规模化的生产,因为生产过程需要使用较多的溶剂,生产成本较高。固相法是根据一定的比例将锂盐和锰盐均匀混合,然后进行高温焙烧,最后将焙烧后的合成物进行破碎得到一定粒径和分布的产物。固相法操作简单,便于大工业生产。但是要想得到理想尖晶石结构需要长时间高温焙烧,不仅如此,利用固相法得到的粒子形状不规则,尺寸大小分布宽,会给电池的生产制作造成不利的影响[4]

1 实验

锂/锰原子根据一定的比例对氢氧化锂、碳酸锰和醋酸锰进行原料配方,分别得到浆料A、浆料B。浆料A的组合方式为:将氢氧化锂以及醋酸锰分别配成溶液,然后将溶液进行混合,最后得到凝胶状混合浆料A;浆料B的组合方式为:用一定量的碳酸锰代替醋酸锰,然后将氢氧化锂和该固液混合物溶液混合均匀,最后得到半固相混合浆料B。将上述浆料喷雾造粒,采用的方法为喷雾干燥法,得到的前驱体粒子球形度较好。最后在设备中对干燥粒子加温处理,完成球形化锰酸锂粒子的制备。

2 结果与分析

对得到的前驱体粒子形貌照片进行计算机图像分析。从图1能够发现,所得粒子大致为球形,粒度分布较为均匀。在一定程度上可以说明喷雾干燥对球形粒子的制备有比较好的效果。在球形锂离子电池正极材料合成的研究中,喷雾干燥法已经被广泛地使用了,而且效果令人满意[5]。实验过程中,采用了液相混合方式得到喷雾干燥的浆料,对比固相法,这种方法使原材料混合的均匀度得到很大提升。液相法制浆以及喷雾干燥方法相结合,一方面可以使材料混合的均匀性提高,另一方面能够减少球形粒子的生产时间,这种方法让大规模生产球形锂离子电池正极材料成为可能。

图1 喷雾干燥粒子的SEM照片

传统的喷雾干燥制备锂离子电池正极材料的过程会破坏粒子的球形结构,这是因为粒子的焙烧采用静态焙烧的方法进行,和固相反应法类似,合成物经过研磨粉碎才能符合电池的使用要求。因此采用动态焙烧程序对喷雾干燥粒子进行焙烧来改进焙烧过程,通过这种方法减少后期的研磨过程来同时维持喷雾干燥的球形状态。在动态炉中对浆料A和浆料B喷雾干燥得到的前驱体进行800℃焙烧,8.5 h后进行电镜扫描分别得到图2(a)和图2(b)。由图2能够发现,在进行了前述的处理后,合成的粒子都出现了破裂的现象。产生这种情况的原因为在喷雾干燥的时候,未分解的醋酸根、氢氧根或碳酸根等阴离子还大量存在于粒子中,在高温热作用的影响下,这些阴离子会熔融及分解。上述实验结果表明,当大量物料堆积焙烧的时候,较短时间内物料的受热或分解极易导致粒子的粘结及破裂,使得合成物的球形化造粒在喷雾干燥过程中很难维持。

图2 浆料A和浆料B扫描电镜照片

图5的XRD图谱表征了粒子经过两步动态焙烧后的有关状态。通过对图5进行分析可以发现,此时球形粒子的尖晶石结构没有任何缺陷,是工业制备锂离子电池正极材料很好选择。

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图3 分解6 h后浆料A和浆料B所得粒子的SEM照片

在动态条件下将图3所示的粒子再进行800℃焙烧9 h得到的SEM照片分别为图4(a)和图4(b)。通过对图4进行分析可见,理想的球形粒子能够在动态高温处制备。进一步观察发现,两种粒子的表面状态并不相同,这是浆料的原料组成不同造成的。在实验中用喷雾干燥法对浆料进行处理制备的球形前驱体,再进行动态低温分解及动态高温焙烧等处理,基本上可以满足球形锂离子电池正极材料工业化生产的要求。

图4 动态焙烧条件下800℃焙烧粒子9 h后所得粒子的SEM照片

图5 粒子的XRD图谱

有学者利用喷雾热裂解的方法来改进传统喷雾干燥制备球形粒子方法存在的不足。这种制备球形正极材料方法将高温热裂解处理和喷雾干燥结合在一起。干燥后的粒子较为顺畅地到达热裂解区域,没有粒子的堆积,粒子熔融结块的现象不会发生是这种方法的主要特点。但是在这种方法中容易产生分解速度过快、粒子呈空心或粒子破裂的现象。热处理的时间太少还会产生晶体结构缺陷。使粒子处于运动状态并且控制反应物的分解速度,可以有效减少粒子结块和粒子爆裂,实现保持喷雾干燥前驱体粒子球形度的目的。图3(a)和图3(b)分别是在动态焙烧条件下分解6 h,浆料A和浆料B所得喷雾干燥球形前驱体所得粒子的SEM照片。通过对图3进行分析可见,分解处理后前驱体仍然保持着较好的球形状态,粒子未出现团聚现象,仍然保持着分散的状态。这种状态下的粒子已经表现出尖晶石结构特征,但是由于结构存在缺陷,无法作为锂离子电池正极材料。这种结构缺陷是由于热处理的温度过低而造成的。

两个低磷胁迫对苦荞不同品种磷素积累的影响结果显示(表5),在极低磷胁迫浓度下(P3),苦荞不同品种全磷量和单株磷积累量均降低,但下降幅度差异较大。低磷胁迫( P2和P3)下,耐低磷品种植株全磷量降幅度为14.36%和32.06%,而不耐低磷品种下降幅度为37.63%和60.9%;耐低磷品种单株磷积累量下降幅度为59.98%和64.54%,而不耐低磷品种下降幅度为70.16%和75.74%。随着供磷量的减少,苦荞植株全磷含量和单株磷积累量均明显降低,耐低磷苦荞降幅小于不耐低磷苦荞,表明其能更好地吸收土壤中的磷素,减轻低磷胁迫的伤害。

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3 结论

液相和半固相相结合对原料进行混合,再利用喷雾干燥与动态焙烧对合成物做进一步处理,最终得到适合工业生产的锂离子电池正极材料球形锰酸锂。计算机图像分析后可见,喷雾干燥、动态低温分解、高温烧结等过程相结合可以得到结构完美的尖晶石。借助这一方法可以实现球形锂离子电池正极材料的工业化规模生产。

参考文献:

[1]赛喜雅勒图,胡华胜,夏永高,等.高温型锰酸锂正极材料的晶体形貌控制和电化学性能[J].科学通报,2013,32:3350-3356.

[2]万传云,吴頔,罗彦飞.用于锂离子电池球形锰酸锂的工业化制备研究[J].硅酸盐通报,2011(5):1064-1067.

[3]曾雷英,吴准,罗小成,等.不同形貌锰酸锂材料的合成及性能研究[J].中国锰业,2014(2):31-35,39.

[4]朱华丽,陈召勇,廖红卫,等.控制结晶法制备球形锰酸锂的研究[J].电源技术,2006,30(6):484-487.

[5]习小明,廖达前,胡柳泉,等.二氧化锰还原法制备锰酸锂前驱体[J].电源技术,2013,37(11):1905-1908.

吴昊,姬爱民,李海英
《电源技术》 2018年第05期
《电源技术》2018年第05期文献

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