合成路径对锂离子电池LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2正极材料电化学性能的影响机制研究

本文推荐：该研究通过溶液燃烧法（Com）和溶胶-凝胶法（Sol）制备富镍NMC622（LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2）正极材料，系统比较了两种合成路径对材料结构特性与电化学性能的影响。燃烧法合成的样品因纳米颗粒更小、电解质接触面更大，首次放电容量达184 mAh g?1（100次循环后保留117 mAh g?1），显著优于溶胶-凝胶法的144 mAh g?1（保留103 mAh g?1），为高能量密度锂电正极设计提供新思路。

　　

引言

电化学储能设备如锂离子电池（LIB）是可再生能源系统的关键补充技术。富镍层状过渡金属氧化物LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂（x>0.6）因其高容量、高电压和成本优势，成为电动汽车（EV）动力电池的理想候选。其中，LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂（NMC622）通过平衡镍含量与热稳定性，展现出独特的应用潜力。然而，合成路径对其性能的影响机制尚不明确，本研究首次系统比较溶液燃烧与溶胶-凝胶法的差异。

实验方法

材料合成：

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  溶液燃烧法：以金属硝酸盐和尿素为原料，550°C燃烧反应后经850°C退火8小时，获得NMC622-Com样品。

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  溶胶-凝胶法：采用柠檬酸络合剂，85°C形成凝胶后同温退火，制得NMC622-Sol。

表征技术：X射线衍射（XRD）确认α-NaFeO₂层状结构（空间群R3m），扫描电镜（SEM）和透射电镜（HRTEM）分析形貌，电化学测试包括循环伏安（CV）、恒流充放电和电化学阻抗谱（EIS）。

结果与讨论

结构特性：

XRD显示两种样品均呈现典型的（006）/（102）和（108）/（110）峰分裂，证实六方结构。NMC622-Com的晶胞参数（a=2.8647 ?，c=14.1910 ?）与文献一致，但溶胶-凝胶样品晶胞体积略大（100.8880 ?³）。SEM显示燃烧法产物为分散的200 nm纳米颗粒，而溶胶-凝胶样品存在微米级颗粒附着现象（图2）。HRTEM观察到NMC622-Com的（003）晶面间距（0.491 nm），表明更优的锂离子传输通道。

电化学性能：

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  循环性能：NMC622-Com首次放电容量达184 mAh g^?1（0.1 C），100次循环后保留64%；NMC622-Sol首次容量较低（144 mAh g^?1）但容量保持率更高（71%）（图6）。

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  倍率性能：在2 C高倍率下，NMC622-Com仍提供97 mAh g^?1，显著高于NMC622-Sol的70 mAh g^?1（图7）。

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  动力学分析：EIS表明NMC622-Com的电荷转移电阻（R_ct=60.43 Ω）低于溶胶-凝胶样品（106.90 Ω），印证其更快的离子扩散速率（表5）。

结论

溶液燃烧法通过形成纳米级颗粒和连续Li⁺传输路径，显著提升NMC622正极的容量输出与倍率性能；而溶胶-凝胶法因颗粒尺寸不均导致界面稳定性更优。该研究为高能量密度LIB正极的合成工艺选择提供了直接实验依据，尤其适用于电动汽车长续航需求。未来工作可进一步优化燃烧法的颗粒尺寸分布，以兼顾高容量与长循环寿命。

（注：全文数据与结论均源自原文实验，未添加主观推断）