三元材料合成反應過程中兩個熱分解反應
接著新相B核的成長。通常,熱分解例如:三元材料合成反應過程中首先發(fā)生兩個熱分解反應。鋰鹽的熱分解和三元前驅體(氫氧化物或碳酸鹽)的分解。鋰鹽包括碳酸鋰和氫氧化鋰。從室溫至150℃發(fā)生LiOH.H:O脫去結晶水的反應:LiOH' H20cs)——+LiOH(s)+H20(g)LiOH的熔化溫度在470℃左右,沸點925℃,1625℃完全分解。
但是在過渡金屬氧化物存在的情況下,由于過渡金屬離子的催化作用,使其在500℃左右開始后分解,反應:2LiOH(。)——-.Li20+H,0L12CO,分解,Li2C03的分解溫度在1310℃,但是在過渡金屬氧化物存在的情況下,由于過渡金屬離子的催化作用,使其在500℃左右開始后分解,發(fā)生下面的反應:Li2C03——一L120+C02三元前驅體的分解成氧化物(250~400℃):M(OH)2(s)——叫MO(s)+H20(g)(a)和(b)分別給出了用LiOH.H20祁L12C03作鋰鹽與NCM(OH)2(523)混合后的熱分析曲線,可以看出三元前驅體的分解均發(fā)生在250~400℃之間。
LiOH-H20作鋰鹽與NCM(OH),(523)混合后的熱分析曲線溫度/℃(b) Li2CO,作鋰鹽與NCM(OH):(523)混合后的熱分析曲線NCM 523熱分析曲線高溫下使用兩種以上金屬氧化物或鹽類的混合物發(fā)生反應而制備粉體的方法,可以分為兩種類型:Ar。)+Bc。)一C(。)Acs)+Bc。)一C(。)+D(曲固相化學反應時,在A(。)和B(。)的接觸面開始反應,反應靠生成物C(。)中離子擴散進行。通常,固相中的離子擴散速率較慢,所以需要在高溫下長時間的焙燒。三元材料高溫制備過程中固相化學反應發(fā)生在450~8000C之間。
450 0C之后鋰鹽分解成氧化物Li:0,共沉淀的三元前驅體也分解成氧化物MO,4500C以后發(fā)生如下反應:0.5Li20+M0+0.2502——,LiM02由于反應需要一定的0:,所以反應過程中有必要通入一定壓力的氧氣。在一定的高溫條件下Li:0與MO的晶粒界面發(fā)生反應,生成層狀化合物LiM02,這種反應的第一階段是在晶粒界面或界面鄰近的反應物晶格中生成LiMO:
晶核,實現(xiàn)這步是相當困難的,因為生成的晶核與反應物結構不同。因此成核反應需要通過反應物界面結構的重新排列,其中包括結構中陰、陽離子鍵的斷裂和重新結合。Li:O晶格中的Li+從Li20晶格中脫出,擴散進入MO晶格中的氧八面體的八面體空位。高溫下有利于晶核的生成。決定這個反應的控制步驟應該是Li+和M2+在晶格中的擴散。
高溫固相合成反應中的幾個問題影響固相反應速率的有三個主要因素:首先是反應物固體的表面積和反應物間的接觸面積;其次是生成物的成核速率;第三是相界面間離子獷散速率。
增加反應物固體的表面積和反應物間的接觸面積可以通過充分研磨使反應物混合均勻,反應物顆粒充分接觸,另外反應物的比表面和反應活性要高。三元材料的合成過程中,首先采用共沉淀的方法制備了NCM三元材料前驅體,使Ni、Co、Mn按照一定的比例均勻分布在前驅體中,這是十分重要的。另外在高溫固相合成之前,將共沉淀的前驅體和鋰鹽充分混合,
使不同反應物顆粒之間充分接觸,對于合成出合格產品也是非常重要的。通過充分破碎,或通過各種化學途徑制備粒度細、比表面大、活性高的反應物原料。將反應物充分研磨混合均勻,反應物的高比表面和充分混合是非常重要的。如果原料固體結構與生成物結構相似,則結構重排較方便,成核較容易。例如用MgO+Al203合成MgAl204,由于Mg0和尖晶石MgAl20。
結構中氧離子結構排列相似,因此易在Mg0界面上或界面鄰近的格內通過局部規(guī)整反應或取向規(guī)正反應生成MgAl20。晶核,或進一步晶體生長。在制備方法、反應條件和反應物的選取等方面應著眼于原料反應性的提高,促進固相反應的進行是非常有用的。例如在進行固相反應之前制取粒度細,高比表面、非晶態(tài)或介穩(wěn)相;新沉淀、新分解等新生態(tài)反應原科,這些反應物往往由于結構的不穩(wěn)定性而呈現(xiàn)很高的反應活性。由于固相反應是復相反應,反應主要在界面上進行,反應的控制步驟是離子的相間擴散,因此此類反應生成物的組成和結構往往呈現(xiàn)非計量性和非均勻性。例如在三元材料合成中,


