富锂锰基正极材料的改性及其电化学性能研究

采用溶剂热法成功制备了富锂锰基正极材料Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂(LLO),通过铈离子掺杂和Nb₂O₅包覆,获得新型改性富锂锰基正极材料CNLLO。与LLO相比,比镍、钴、锰离子半径更大的铈离子的掺入增加了CNLLO的层间距,提高了锂离子扩散速率;Nb₂O₅包覆层抑制了CNLLO表面的副反应,限制了晶体结构的转变,提高了CNLLO的稳定性。在10 C倍率下,CNLLO的放电比容量(128.0 mAh·g^-1)高于LLO(85.6 mAh·g^-1)。此外,CNLLO还表现出优异的循环性能,1 C下循环200次后容量保持率和平均放电电压衰减值分别为80.2%和415.3 mV。因此,所制备的CNLLO正极材料具有优异的电化学性能,在锂离子电池中具有广阔的应用前景。     

铝基化合物改性富锂锰三元正极材料的高温性能

通过多相复合分别制备了Al₂O₃、AlF₃、AlPO₄改性的富锂锰三元正极材料(Li_1.2Ni_0.133Co_0.133Mn_0.533O₂,LR)。采用X射线光电子能谱、透射电镜和电化学交流阻抗等对复合材料的成分结构、高温下的电化学性能及作用机理进行了研究。结果表明：Al₂O₃改性的Li_1.2Ni_0.133Co_0.133Mn_0.533O₂(LRO)性能最佳,包覆层薄且均匀;在50℃高温下,LRO的200圈平均放电比容量为189.5mAh·g^-1,容量保持率为81.5%,比原材料分别提高61.5 mAh·g^-1、49.8%;100圈循环后的电荷转移电阻为443.1 Ω,仅为原材料一半,表现出较优的电化学性能。     

铝基化合物改性富锂锰三元正极材料的高温性能

通过多相复合分别制备了Al₂O₃、AlF₃、AlPO₄改性的富锂锰三元正极材料(Li_1.2Ni_0.133Co_0.133Mn_0.533O₂,LR)。采用X射线光电子能谱、透射电镜和电化学交流阻抗等对复合材料的成分结构、高温下的电化学性能及作用机理进行了研究。结果表明：Al₂O₃改性的Li_1.2Ni_0.133Co_0.133Mn_0.533O₂(LRO)性能最佳,包覆层薄且均匀;在50℃高温下,LRO的200圈平均放电比容量为189.5mAh·g^-1,容量保持率为81.5%,比原材料分别提高61.5 mAh·g^-1、49.8%;100圈循环后的电荷转移电阻为443.1 Ω,仅为原材料一半,表现出较优的电化学性能。     

铝基化合物改性富锂锰三元正极材料的高温性能

通过多相复合分别制备了Al₂O₃、AlF₃、AlPO₄改性的富锂锰三元正极材料(Li_1.2Ni_0.133Co_0.133Mn_0.533O₂,LR)。采用X射线光电子能谱、透射电镜和电化学交流阻抗等对复合材料的成分结构、高温下的电化学性能及作用机理进行了研究。结果表明:Al₂O₃改性的Li_1.2Ni_0.133Co_0.133Mn_0.533O₂(LRO)性能最佳,包覆层薄且均匀;在50℃高温下,LRO的200圈平均放电比容量为189.5 mAh·g^-1,容量保持率为81.5%,比原材料分别提高61.5 mAh·g^-1、49.8%;100圈循环后的电荷转移电阻为443.1 Ω,仅为原材料一半,表现出较优的电化学性能。     

表面活性剂对氧化铝修饰富锂锰基正极材料的影响

采用氧化铝修饰改性富锂锰基正极材料,探讨了表面活性剂在修饰改性中的作用。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、透射电子显微镜和电化学性能测试等方法对材料结构和电化学性能进行分析。实验结果表明,十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)能使Al_2O_3纳米颗粒均匀包覆在富锂锰基正极材料表面,有效增强了复合材料结构的稳定性。在600 mA·g~(-1)电流密度下,该复合材料的初始放电容量为186mAh·g~(-1)。经过500次循环后,其可逆放电比容量仍高于132 mAh·g~(-1),初始容量保持率高达71%。此外,电压衰退也被有效抑制,复合材料表现出优异的综合电化学性能。     

磷酸锂原位包覆富锂锰基锂离子电池正极材料

本工作通过“碳酸盐共沉淀-沉淀转化-固相反应”方法,实现磷酸锂原位包覆和改性富锂锰基锂离子电池正极材料Li_1.2Mn_0.54Co_0.13Ni_0.13O₂,研究了磷酸锂包覆层的形成过程及其对电化学性能的影响.结果显示,碳酸盐前驱体经沉淀转化反应原位形成磷酸镍包覆层,与锂源混合煅烧,最终转化为厚度小于30 nm的磷酸锂包覆层.该材料组装的半电池在125 mAh·g^-1电流密度下循环175圈后容量达191.1 mAh·g^-1,容量保持率为81.8%,平均每圈电压衰减仅为1.09 mV.磷酸锂包覆层缓解了材料表面与电解液之间的副反应,抑制了不可逆相变和过渡金属溶出,同时磷酸锂作为锂离子导体促进锂离子传输.本工作表明沉淀转化法原位包覆磷酸锂是提升富锂锰基正极材料性能的有效途径.     

富锂锰基正极材料的电压衰减机理及其改性策略

富锂锰基正极材料因其能量密度高、成本低和环境友好等特点,成为最具有应用前景的锂离子电池正极材料之一.然而,富锂锰基材料严重的电压衰减成为其实现商业化的一大难点.本文从富锂锰基材料的晶体结构出发,总结了造成材料电压衰减的作用机理和影响因素,针对电压衰减提出了有效的改性策略,最后对富锂锰基正极材料未来的研究方向和发展作了展...     

富锂锰基正极材料的表面改性研究进展

随着电动汽车和储能电站等电力设备的快速发展,对高能量密度的锂离子电池的需求日益增加.高比容量（>250 mAh·g^-1）的富锂锰基正极材料,有望成为锂离子电池实现高比能量（>350 Wh·kg^-1）的关键正极材料.富锂锰基正极材料的Li₂MnO₃相和晶格氧参与电化学反应使其拥有了高容量,但这也导致表面结构和成分容易发生变化,进而造成富锂锰基正极材料存在着诸如首次库伦效率低、倍率性能差和循环后电压和容量衰减严重等问题.因此,本文综述了富锂锰基正极材料的表面包覆、表面掺杂和表面化学处理三种表面改性方法,并进一步讨论了三种表面改性方法对材料性能提升的机制机理和优缺点.在此基础上,介绍了近些年基于多方法的表面联合改性工作.通过对富锂锰基正极材料进行表面联合改性,不仅可以改善其结构稳定性和抑制电极/电解液界面副反应,而且可以缓解其在循环过程中不断发生的结构转变和晶格氧的析出问题.最后,对富锂锰基正极材料表面改性研究方向进行了总结和展望.     

电位滴定测定富锂锰基正极材料中锰

采用盐酸、硝酸溶解样品,加入焦磷酸钠溶液并调节溶液pH为6.0~7.0。用高锰酸钾标准溶液滴定至电位滴定仪上,根据消耗的高锰酸钾标准溶液的体积计算样品中的锰含量。探究了焦磷酸钠用量、溶液pH、共存元素等对测定锰含量的影响。在最优的实验条件下,方法的相对标准偏差在0.13%~0.22%之间,加标回收率在99.8%~100.5%之间。本方法是富锂锰基正极材料中质量分数10%~60%的锰测定的理想方法。     

微纳结构富锂锰基层状正极材料的形貌调控与储锂性能

以金属醋酸盐为原料, 尿素为沉淀剂, 采用水热法辅助高温煅烧制备了三维微纳结构富锂锰基层状材料Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂. 通过调整反应溶剂实现了镍钴锰碳酸盐前驱体向球状和纺锤体状的导向性生长. 其中纺锤体状富锂材料在0.1C倍率下首次放电容量接近300 mA·h/g, 在5C大倍率下放电容量能够达到92 mA·h/g, 在0.5C倍率下循环70周容量保留率能够达到85%.     

Carbon Nanotubes Act as Conductive Additives in the cathode of Lithium Ion Batteries

The layered compounds LiCoO2, LiNiO2 and spinel compound LiMn2O4 have served as very effective cathode active materials in lithium ion rechargeable batteries. Generally, their high conductive resistance easily results in a serious polarization and poor utilization of active materials.In order to make full use of the active materials and increase the capacity, the charge-discharge rate and the cycle life of lithium ion batteries, conductive additives are often added into the above cathode materials to form a conductive network. Carbon materials, such as carbon black, graphite powders and chemical vapor deposit carbon fibers have been widely used as conductive additives owing to their high electrical conductivity and chemical inertness. To effectively utilize the active materials, the contents of these carbon additives in the cathode often reach up to 10～20wt%. This leads to a great need for binder, for example, 10wt% or more. It follows therefore a considerable increase in volume of the lithium batteries and lower energy density because of the large amount of carbon additives and binder in the cathode.By substituting carbon nanotubes (CNTs) for carbon black, graphite powders or chemical vapor deposit carbon fibers, much conductive additives and binder are saved, and the cathode with only 3～5wt% of conductive additives CNTs shows excellent rate capacity. At the discharge rate 0.5C,2.0C and 3.0C, the LiCoO2 cathode with CNTs exhibits discharge capacity up to 134mAh/g, 126 and 120mAh/g, respectively. The explanation is given as follows. Firstly, their microstructure and graphitic crystallinity are very important for electron transport. CNTs employed in the experiments comprise an array of complete graphite sheets seamlessly wrapped into cylindrical tubes which are concentrically nested like the rings of a tree trunk. Thus, the process of -electrons transport occurs in graphite sheet in super-conjugative manner when they move from one end to the other end in CNTs. Apparently, the CNTs' microstructure does good to electron transport. On the other hand,being highly graphitic (concluded from XRD patterns), CNTs also displays high electron conductivity. Secondly, being smaller in diameter, CNTs possess much larger number of primary particles in unit mass than other carbon materials. Hence, it results in a lower percolation threshold in the case of CNTs. Finally, owing to their high surface energy, CNTs fallen into nano-materials tend to aggregate and then form firm webs effectively entrapping LiCoO2 particles during the preparation of the cathode to guarantee their close contact with the active materials.Accordingly, effective electron channels are provided to lessen the polarization loss.     

高性能LiFePO4/碳纳米笼锂离子电池正极材料

以具有高比表面积、分级孔结构和优良导电性的碳纳米笼（CNCs）为载体,制得了粒子尺寸为10～25 nm且高度分散的LiFePO₄/CNCs复合物.以LiFePO₄/CNCs复合物作为锂离子电池的正极材料,在0.1 C倍率下首次放电比容量达到163 mAh·g^-1,15 C和30 C倍率下的放电比容量可达96和75 mAh·g^-1;在15 C倍率下循环200圈后,其放电比容量仍保持在92 mAh·g^-1,显著优于LiFePO₄/CNTs复合物.这些结果表明,LiFePO₄/CNCs复合物具有优异的倍率性能和循环稳定性,是一种性能优良的锂离子电池正极材料,其性能源自CNCs载体的高比表面积、分级孔结构和优异导电性以及LiFePO₄颗粒的纳米化和高结晶度.     

高比能锂硫电池正极材料

锂硫电池被认为是最有发展潜力的新型多电子反应的二次电池体系之一.单质硫与锂反应的理论比容量为1675 mA h g?1,质量比能量达2600 W h kg?1,远远高于现行的传统锂离子二次电池材料.同时硫又具有来源丰富、环境友好等优点.然而,仍然有许多问题制约了锂硫电池的发展与广泛应用.本文综述了近年来锂硫电池正极材料的研究进展.     

分级结构氮掺杂碳纳米笼:高倍率长寿命可充电镁电池正极材料

可充电镁电池成本低、安全性好,是非常有前景的下一代二次电池,其关键之一是开发高性能的正极材料.本工作首次利用分级结构氮掺杂碳纳米笼(hNCNC)作为可充电镁电池的正极材料,展现出高放电比容量(71m Ah·g^-1@100m A·g^-1)、优异的倍率性能(60 mAh·g^-1@2000 mA·g^-1)和长循环稳定性(1000圈容量保留率83%@1000 mA·g^-1). hNCNC呈现电容行为主导的储镁机制,理论研究表明镁离子主要吸附在微孔边缘的碳原子、吡啶氮或吡咯氮等活性位点上.其优异储镁性能可归因于:(1) hNCNC的大比表面积(1590 m²·g^-1)、丰富微孔缺陷和高吡啶/吡咯氮含量(4.49 at.%)有效提升了储镁容量;(2) hNCNC的高导电性、多级孔道结构及N掺杂导致的高浸润性有利于电荷传输,降低了电池的等效串联电阻,从而改善了倍率性能;(3) hNCNC的稳定碳骨架结构及其表面吸附储镁机制使其具有优异的长循环稳定性...     

离子电池正极材料LiNi0.5Mn0.5O2的合成

采用共沉淀法制备锂离子电池正极材料LiNi_0.5Mn_0.5O₂，前驱体制备过程中金属离子氢氧化物的形貌、粒径分布和最终合成材料的性能息息相关。本文讨论了共沉淀反应过程中沉淀体系、pH值、搅拌速度和氨水浓度对沉淀产物形貌的影响。同时还考察了烧结制度对材料电化学性能的影响。结果表明，在优化条件下制备的正极材料LiNi_0.5Mn_0.5O₂首次放电容量高达178 mAh·g^-1，50个循环后放电容量稳定保持在165 mAh·g^-1(电压范围2.8～4.5 V，电流密度30 mA·g^-1)。     

碳纳米管与石墨烯在储能电池中的应用

当今社会日益增长的能源与环境需求对储能电池技术的发展既是机遇也是严峻的挑战。纳米碳材料如碳纳米管与石墨烯因其优异的导电能力、良好的机械性能以及独特的形貌与结构特征在储能电池技术领域中的应用越来越普遍。本文通过综述近年来碳纳米管与石墨烯分别作为锂离子电池的复合电极材料、负极活性材料、导电添加剂以及新型锂硫电池用复合导电载体的最新应用进展,重点讨论了这两类纳米碳材料的不同应用模式对储能电池容量性能、倍率性能以及循环寿命的影响。同时对目前研究中存在的问题进行了总结,并对未来发展方向,如开发低成本与环境友好的高质量材料合成技术、提升材料的分散能力以有效构筑复合电极结构以及开发新的应用模式等进行了展望。     

锂电池中低成本碳包覆磷酸铁锂正极材料的合成及其性能

磷酸铁锂作为动力锂离子电池的正极材料正逐渐走向市场.以Li3PO4,FePO4,Fe粉以及乙醇为原料,采用高温热分解方法成功地制得乙醇碳包覆的LiFePO4正极材料.实验结果表明,该LiFePO4/C材料颗粒均匀,分散性好,粒径大约在200nm～1μm之间,颗粒表面被碳包覆,颗粒之间由碳纤维连接.该正极材料首次放电容量达137mAh·g-1,首次充放电库仑效率在95%以上,50次循环后,放电容量基本不衰减,显示出良好的循环稳定性和可逆性.本研究降低了锂离子电池的生产成本,显示了良好的工业化应用前景.     

层状LiNi0.5Mn0.5O2正极材料的合成与电性能研究

用共沉淀法于850 ℃在空气中煅烧24 h合成出层状LiNi0.5Mn0.5O2正极材料,并用XRD, SEM, 粒度分析和电性能测试考察了所得材料组成、结构、形貌及电化学性能.本层状LiNi0.5Mn0.5O2正极材料具有α-NaFeO2结构,六方晶系,R3m空间群,其晶胞参数为a=0.2897 nm, c=1.431 nm.当材料分别在在2.8～4.2, 2.8～4.4, 2.8～4.7 V间进行充放电时,其首次放电容量分别为145, 153, 195 mAh*g-1,且随着充放电电压升高,材料的首次放电不可逆容量增大,循环稳定性减弱.该材料显示出层状LiNiO2正极材料的充放电特性,在20次充放电循环后,材料仍保持原层状结构.     

LiFeSO4F/石墨烯复合材料的制备与电化学性能

分别以FeSO4.H2O、FeSO4.4H2O和FeSO4.7H2O为原料与LiF在四甘醇介质中反应制得LiFeSO4F,用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)表征LiFeSO4F的结构和形貌.热重分析表明LiFeSO4F在400℃开始分解.XRD结果表明,以FeSO4.4H2O和FeSO4.7H2O为原料,多个结晶水的存在可以延缓原料的脱水过程,有利于消除产物中FeSO4杂相的生成.利用循环伏安(CV)、电化学交流阻抗(EIS)和充放电实验测试材料的电化学性能,发现加入石墨烯后可以促进LiFeSO4F的电化学活性,提高材料的比容量、倍率性能和循环性能.     

锂离子电池正极材料LiFePO4在Fe位掺杂的研究进展

橄榄石型LiFePO4是近年发展起来的一种锂离子电池正极材料,但是LiFePO4的电子导电率低和锂离子扩散速度慢限制了其实用化,需要改进.其中一种很有效的方法就是在LiFePO4的晶格中掺杂金属离子,使其产生晶格缺陷,促进Li+扩散,改善晶体内部的导电性能.LiFePO4有Li(M1)和Fe(M2)2个金属位,可使用金属离子对其改性.本文综述了对锂离子电池正极材料LiFePO4在Fe(M2)位掺杂的研究进展.LiFePO4在Fe(M2)位的掺杂主要采用Mn2+,Ni2+,Co2+,Mg2+等几种金属离子.