以複合金屬氧化物為塗佈物質表面處理 鋰離子電池LiCoO2 陰極材料之製程研究

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Title:	以複合金屬氧化物為塗佈物質表面處理鋰離子電池LiCoO2 陰極材料之製程研究
Authors:	蕭巧玲;Chiao-Ling Hsiao
Contributors:	化學工程與材料工程研究所
Keywords:	釔鋁石榴石;氧化釔安定氧化鋯;表面改質;鋰離子電池
Date:	2005-05-31
Issue Date:	2009-09-21 12:25:42 (UTC+8)
Publisher:	國立中央大學圖書館
Abstract:	摘要本論文共分兩部分，前半部份利用溶膠凝膠法以Y3Al5O12作商用LiCoO2陰極材料表面改質之研究，後半部份先以溶膠凝膠法製備氧化釔安定氧化鋯(Yttria Stabilized Zirconia, YSZ)，再將YSZ粉體，以機械式熱處理法作商用LiCoO2陰極材料表面改質之研究，兩者目的皆在於改善商用LiCoO2陰極材料在高充放電截止電壓及快速充放電速率下，能增進其循環壽命，並維持其電池安全性。表面改質材料鑑定，首先利用XRD針對合成之Y3Al5O12及YSZ粉體進行，再鑑定各製程所得材料之結構變化。其次則分別利用SEM、TEM及BET鑑定合成材料之表面型態、顆粒粒徑與表面積；接著測試各材料的電池性能，進而求出最佳製程條件，最後以循環伏安法分析材料氧化還原性質，以及利用DSC材料的熱分解溫度，確定電池的安全性。 (一) 利用溶膠凝膠法將Y3Al5O12塗佈於商用LiCoO2陰極材料論文中吾人首先以溶膠凝膠法(Sol-gel Method)製備Y3Al5O12作為塗佈物質，處理由台灣康普化學公司所提供之商用LiCoO2陰極材料，以下簡稱該材料為ComA-LiCoO2。探討以溶凝膠法將Y3Al5O12塗佈於ComA-LiCoO2材料，藉由粉體包覆於ComA-LiCoO2表面，形成一緻密Y3Al5O12保護層，減少材料在充放電時，活性物質與電解質液間之直接接觸，同時穩定材料結構，減緩電容量快速衰退現象，延長電池使用之年限，亦可改善鋰離子電池層狀結構陰極材料無法承受更高電壓與快速充放電的問題。以溶凝膠法採用0.3 wt.% Y3Al5O12塗佈ComA-LiCoO2陰極材料，以650℃煆燒10小時後，在0.2C充放電速率下，充放電截止電壓分別為4.40至2.75V，可得到初始電容量為165 mAh/g，循環壽命為165次(未改質LiCoO2陰極材料為26次)為最佳，接著利用溶膠凝膠法之最佳條件，以機械式熱處理法將Y3Al5O12改質ComA-LiCoO2材料，結果得知，以機械式熱處理法改質後之材料，其循環壽命只有24次，較改質前材料(26次)差。由XRD分析圖譜中煆燒溫度在650℃以上，可產生Y3Al5O12明顯波峰。經TEM鑑定，以0.3 wt.% Y3Al5O12 於650℃煆燒10小時，其顆粒粒徑約在120 nm至160 nm之間。由循環伏安測試可知，電壓介於3.0~4.2V間時，商用LiCoO2之六方晶相與單斜晶相會產生變換，經過Y3Al5O12塗佈後材料，此相變受到有效的抑制，並同時提升電池之循環壽命。最後以微分掃描熱卡儀測試，經改質後之材料，其熱分解溫度升高為202℃，放熱量為21 J/g，皆比改質前材料佳。 (二) 利用機械式熱處理法將YSZ塗佈於商用LiCoO2陰極材料吾人先利用溶膠凝膠法以800℃煆燒10小時製備YSZ粉體，再將得到的白色YSZ粉體以機械式熱處理法(Mechanical thermal method)塗佈於FMC-LiCoO2。由實驗結果發現，以2.0wt.% YSZ改質商用LiCoO2陰極材料，煆燒650℃，持溫10小時，在0.2C充放電速率下，充放電截止電壓分別為4.40至2.75V，可得到初始電容量為160 mAh/g，循環壽命142次循環(未改質LiCoO2陰極材料為38次)為最佳。由循環伏安測試可知，電壓介於3.0~4.2V間時，商用LiCoO2之六方晶相與單斜晶相會產生變換，經過YSZ塗佈後材料，特性峰明顯消失，曲線平緩，表示此材料能提升電池之循環壽命。最後以微分掃描熱卡儀測試，經改質後之材料，其熱分解溫度升高為185℃，放熱量為25 J/g，皆比改質前材料佳。
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