● 摘要
钴酸锂是首个成功商业化的锂离子电池正极材料，开路电压高、可逆容量高、循环寿命长，并且其生产工艺较为简单、易于工业化生产，是目前锂离子电池应用最广泛的正极材料。随着锂离子电池被应用到高功率交通运输系统，如混合式电动汽车（HEVs）和电动汽车（EVs）中，对其性能的要求也随之大大提高。开发具有良好电化学活性的高结晶层状结构的钴酸锂依然具有非常重要的意义。近年来，为了提高钴酸锂的性能，新结构设计成为一种有效的途径。一方面，因其各项异性的晶体结构，层状钴酸锂的电化学脱嵌锂行为强烈地依赖于晶体取向。同时，其 (003) 面具有所有面中最高的原子密度和最低的表面能，钴酸锂更倾向于c-轴取向结晶。于是我们通过凝胶溶胶法制备了具有不同c-轴取向程度的钴酸锂，分析了在复合物粉末电极中择优取向生长和电化学性能的关系。另一方面，纳米结构的电池材料为锂离子迁移提供了更短的路径，增加了电极材料和电解液的接触面积，从而可以提高电极材料的性能。因此我们又以氧化亚铜作为模板制备了多面体钴酸锂纳米晶体，并对其电化学性能进行了研究。
实验结果表明，低c-轴取向程度的钴酸锂具有更好的电化学性能：低c-轴取向和高c-轴取向的钴酸锂在2 C下的倍率容量分别为97.4和40.5 mA hg-1，相当于保持了62.1 %和34.1 %的0.1 C下的放电容量；二者首次放电容量分别为148.1和120.5 mA h·g-1，50个循环后容量保持率分别为98.4 %和75.4 %。分析表明，具有低c-轴取向程度的钴酸锂为锂离子的嵌入/脱出提供了更多的电化学活性位点和较短的扩散通路，有利于电化学性能。同时，高c-轴取向程度很可能意味着更加完整的层状结构。为了获得更好的性能，取向生长的控制将是未来层状正极材料结构设计的一种非常重要的策略。多面体钴酸锂样品在0.1 C时的放电容量仅为50.7 mA h·g-1，低于钴酸锂的理论容量137 mA h·g-1。这可能是与前驱体非晶氢氧化钴在较低的反应温度（750 oC）和较短的反应时间（3 h）下并不能形成结晶度良好的钴酸锂有关。多面体钴酸锂虽然容量较低，但循环性能和倍率容量保持率较好：0.1 C下，放电容量在前30个循环非常稳定；在5 C和10 C下，仍然能够保持65.8 %和50.6 %的0.1 C下的放电容量，这与其多面体的纳米结构密不可分。