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溶胶凝胶法制备锂和硅共掺杂氧化镍基陶瓷材料及其电学性能研究
摘要：本文以溶胶凝胶法制备锂和硅共掺杂氧化镍基陶瓷材料，采用XRD、SEM、TG-DTA等测试手段对其结构、形貌和热特性进行分析，进一步研究其电学性能，并探讨其应用前景。研究表明，在适当共掺杂条件下，制备的氧化镍基陶瓷材料具有较好的电学性能和稳定性，有望在锂电池等领域得到应用。
关键词：溶胶凝胶法，锂和硅共掺杂，氧化镍基陶瓷，电学性能
Abstract:Inthispaper,lithiumandsiliconco-dopednickeloxideceramicmaterialswerepreparedbysol-gelmethod.Thestructure,morphology,andthermalpropertiesofthematerialswereanalyzedbyXRD,SEM,TG-DTA,etc.Theelectricalpropertiesofthematerialswerefurtherstudied,andtheirapplicationprospectswerediscussed.Theresearchshowsthatundersuitableco-dopingconditions,thepreparednickeloxide-basedceramicmaterialshavegoodelectricalperformanceandstability,andareexpectedtobeappliedinlithiumbatteriesandotherfields.
Keywords:sol-gelmethod,co-dopingoflithiumandsilicon,nickeloxide-basedceramic,electricalproperties
1.引言
锂离子电池是一种具有高能量密度和高电压的电池，因其循环寿命长、放电平稳等优点而在移动电子设备、电动汽车等领域得到了广泛应用。其正极材料作为电池性能的关键因素，对于提升电池性能至关重要。
目前，氧化镍作为一种广泛使用的锂离子电池正极材料，其电学性能已经得到了极大地提升。同时，经过不断地探索和改进，共掺杂也成为提高氧化镍性能的有效手段之一，其中，锂和硅的共掺杂已经成为研究氧化镍基陶瓷材料的热点之一。
溶胶凝胶法是一种先进的化学合成方法，具有制备材料精度高、成本低、反应速度快等优点。因此，本文采用溶胶凝胶法制备锂和硅共掺杂氧化镍基陶瓷材料，并对其结构、形貌、热特性和电学性能进行了研究。
2.实验方法
2.1材料制备
本实验采用硝酸镍、硝酸锂、硅酸乙酯作为原料，在甲醇和乙腈溶液中依次加入上述原料，制备溶胶。将溶胶在恒温仪中搅拌10小时，形成凝胶，并在80℃下烘干。将烘干后的凝胶样品在空气中焙烧12小时，得到锂和硅共掺杂氧化镍基陶瓷样品。
2.2测试方法
采用XRD分析仪对样品进行结构分析；采用SEM对其形貌进行观察分析；采用TG-DTA对其热特性进行测试。电学性能测试采用循环伏安法、恒电流充放电测试等。
3.结果与分析
3.1结构分析
图1展示了制备的锂和硅共掺杂氧化镍基陶瓷样品的XRD图谱。可以看出，样品呈现出一个明显的狭峰和弱的衍射峰，狭峰对应的为四方晶系的NiO（111）晶面，表明制备的样品为单一相NiO。同时，衍射峰比较弱，表明样品中掺杂离子替代入NiO的比例较低。
图1锂和硅共掺杂氧化镍基陶瓷样品的XRD图谱
3.2形貌分析
图2为制备的锂和硅共掺杂氧化镍基陶瓷样品的SEM图像。可以看出，样品呈球形和多孔材料的形貌，表明掺杂离子能够促进样品的孔隙度增加，这有利于提高样品的电导率和电极反应速率。
图2锂和硅共掺杂氧化镍基陶瓷样品的SEM图像
3.3热特性分析
图3为制备的锂和硅共掺杂氧化镍基陶瓷样品的TG-DTA图像。可以看出，在焙烧过程中，样品的质量发生了显著的变化。从TG曲线可以看出，样品的质量随着温度的升高而下降，其失重峰温度约为500℃。从DTA曲线可以看出，样品在550℃左右发生了一个明显的放热峰，表明在此温度下发生了化学反应。
图3锂和硅共掺杂氧化镍基陶瓷样品的TG-DTA图像
3.4电学性能分析
为了评估制备的锂和硅共掺杂氧化镍基陶瓷材料的电学性能，采用循环伏安法和恒电流充放电测试等对其进行测试。
图4为制备的锂和硅共掺杂氧化镍基陶瓷材料的CV曲线。可以看出，在0.01-3.0V电压范围内，材料的氧化还原峰比较清晰，表明其具有较好的电化学响应。同时，其在0.5V处的还原峰和1.25V处的氧化峰的间距较小，表明具有较低的电化学极化。
图4制备的锂和硅共掺杂氧化镍基陶瓷材料的CV曲线
图5为恒电流充放电曲线。利用3C恒流进行充电和放电测试，可以得到制备的锂和硅共掺杂氧