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研究生： 翁再賢
Zai-Xian Weng
論文名稱： LiCoO2陰極材料重要製程評估與改質研究
Evaluation of Procedures for the Synthesis of LiCoO2 Cathode Materials and Improvements Thereby
指導教授： 費定國
George Ting-Kuo Fey
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 化學工程與材料工程學系
Department of Chemical & Materials Engineering
畢業學年度： 90
語文別： 中文
論文頁數： 113
中文關鍵詞： 鋰鈷氧化物 、電化學特性 、循環伏安法 、陰極材料 、鋰電池
外文關鍵詞： Electrochemical Properties, Cathode Materials, LiCoO2, Lithium Battery, Cyclic Voltammetry
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    • 初步以文獻中選出具代表性的十種製程—P-1至P-10（P.42，表06）—合成LiCoO2產物，於相同條件下作電池循環測試後，發現初始可逆電容量以固態法P-1的154mAh/g為最高；若以電容量維持率80％為標準來比較各製程材料之循環壽命，則以溶液法P-3的81次為最佳。接著，將10種製程分別以其原料成本、耗電成本、長循環測試以及初次可逆電容量等作為評估條件，經過權重分析計算後，結果以P-3有最高的權重分析值，其次P-5及P-1，結果顯示P-3為十種製程當中兼具電池性能高以及經濟成本低兩大優點的製程。
    接著吾人針對P-3製程作合成條件之最適化研究，改變其煆燒溫度、煆燒時間、鋰計量數以及煆燒氣氛等變因後發現，當煆燒溫度800℃、煆燒時間10小時及鋰計量數為1時，於空氣下煆燒其所合成出來的產物擁有最佳的電池性能，其初始可逆電容量為154 mAh/g，經過30次循環後，可逆電容量維持率為92％。
    為了增加循環穩定性，吾人分別以鎂取代部分鈷及摻雜微量鍶離子兩種變因，研究其對材料電容量及循環穩定性的影響。結果發現以LiMg0.025Co0.975O2材料的電池性能最佳，初次可逆電容量153mAh/g，循環壽命為110次，顯示以鎂取代部分鈷對材料之循環穩定性有相當大的助益。另外，於材料中摻雜微量鍶離子後，發現產物會由於鍶離子的加入，而使其初始可逆電容量降低，並且降低了其循環穩定性，並未達到預期摻雜微量鍶離子之效果。

    In this study, ten typical processes – P-1 to P-10 – were chosen for the synthesis of LiCoO2. Among all the processes, P-1 resulted in a material with the highest first-cycle discharge capacity (154 mAh/g). However, P-3 yielded products with the lowest capacity fade (charge retention at the end of 81 cycles was 80%). Based on the material cost, cyclability and the first-cycle discharge capacity, P-3 was adjudged the best method, followed by P-5 and P-1.
    Having determined that P-3 was the best synthetic route, we proceeded to examine the best conditions for the P-3 process. A calcination temperature of 800℃ and heat treatment duration of 10 hours in air were found to be the optimal conditions. A product obtained under these conditions showed a first-cycle discharge capacity of 154 mAh/g, retaining 92% of the capacity after 30 cycles.
    The synthetic procedure P-3 was extended to obtain the Mg-doped composition, LiMg0.025Co0.975O2. The material gave a first-cycle discharge capacity of 153 mAh/g. However, it could sustain 110 cycles before 20% of its capacity was lost. Similarly, a Sr-doped LiCoO2 composition was also studied. Doping with Sr was detrimental not only to the deliverable capacity, but also reduced cycling stability.

    目錄 摘要 誌謝 目錄 圖目錄 表目錄 第一章 緒論 1.1 鋰離子電池之發展背景 1.2 研究目的及大綱 第二章 文獻回顧 2.1鋰離子電池系統的構造 2.2 LiCoO2陰極材料的合成方法 2.2.1 高溫固態法 2.2.2 沈澱法 2.2.3 溶凝膠法 2.3. LiCoO2陰極材料的未來發展 2.3.1 新製程開發 2.3.1.1 微波法 2.3.1.2 噴霧乾燥法 2.3.2. 新型混合金屬氧化物開發—LiMyCo1-yO2 2.3.2.1 M = Al 2.3.2.2 M = Mg 2.3.3 表面塗佈技術（Surface Coating Technique） 2.3.3.1 鋰鈷氧化物—LiCoO2 2.3.3.2 鋰鎳氧化物—LiNiO2 2.3.3.3 鋰鎳鈷氧化物—LiNi1-yCoyO2 2.3.3.4. 鋰錳氧化物—LiMn2O4 第三章 實驗方法 3.1. 實驗儀器 3.2. 實驗藥品器材 3.3. 實驗步驟 3.3.1 產物合成 3.3.1.1 第一階段—P-1至P-10製程 3.3.1.2 第二階段—P-3製程合成條件最適化 3.3.1.2.1 合成物應用於溫度效應研究 3.3.1.2.2 合成物應用於時間效應研究 3.3.1.2.3 合成物應用於鋰計量數效應研究 3.3.1.2.4 合成物應用於不同煆燒氣氛效應研究 3.3.1.3 第三階段—P-3製程LiCoO2材料改質 3.3.1.3.1 鎂取代部分鈷之影響 3.3.1.3.2 鍶離子摻雜量之影響 3.3.2 材料鑑定 3.3.2.1 熱重分析（TGA） 3.3.2.2 X光繞射（XRD）分析 3.3.2.3 感應耦合電漿原子放射光譜分析（ICP-AES） 3.3.3 材料電化學特性分析 3.3.3.1 硬幣型電池組裝及充放電測試 3.3.3.1.1 極片製作 3.3.3.1.2 硬幣型電池組裝 3.3.3.1.3充放電測試 3.3.3.2循環伏安分析（Cyclic Voltammetry） 3.3.3.2.1 實驗條件 3.3.3.2.2 電極製作 3.3.4 經濟評估 第四章 結果與討論 4.1 第一階段—P-1至P-10製程研究 4.1.1 熱重量損失分析 4.1.2 X光繞射分析 4.1.3 感應耦合電漿原子放射光譜分析（ICP-AES） 4.1.4 電池性能測試 4.1.5 經濟評估 4.2 第二階段—P-3製程研究 4.2.1 X光繞射分析 4.2.1.1 合成物應用於溫度效應之研究 4.2.1.2 合成物應用於時間效應之研究 4.2.1.3 合成物應用於鋰計量數效應之研究 4.2.2 掃瞄式電子顯微鏡分析 4.2.3 感應耦合電漿原子放射光譜分析 4.2.4 電池充放電測試 4.2.4.1 合成物應用於溫度效應之研究 4.2.4.2 合成物應用於時間效應之研究 4.2.4.3 合成物應用於鋰計量數效應之研究 4.2.4.4 合成物應用於不同煆燒氣氛效應研究 4.3 第三階段—LiCoO2材料改質研究 4.3.1 X光繞射分析 4.3.1.1 鎂取代部分鈷之影響 4.3.1.2 鍶離子摻雜量之影響 4.3.2 感應耦合電漿原子放射光譜分析 4.3.3 電池充放電測試 4.3.3.1 鎂取代部分鈷之影響 4.3.3.2 鍶離子摻雜量之影響 4.3.4 循環伏安測試 第五章 結論 第六章 參考文獻

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