LiNbO3负极薄膜电化学性能及全固态薄膜锂离子电池应用

全固态薄膜锂离子电池具有易微型化与集成化等优点,因此,非常适合为微系统供电。负极对全固态薄膜锂离子电池的性能有重要影响。现有电池通常采用金属锂作为负极,然而其枝晶生长问题及低的热稳定性限制了相应电池在工业、军事等高温、高安全场合应用。为此,本文系统研究了LiNbO₃薄膜的电化学性能,结果表明:LiNbO₃薄膜呈现高比容量(410.2 mAh·g^-1)、高倍率(30C时比容量80.9 mAh·g^-1)和长循环性能(2000圈循环后的容量保持率为100%),以及高的室温离子电导率(4.5×10^-8 S·cm^-1)。在此基础上,基于LiNbO3薄膜构建出全固态薄膜锂离子电池Pt|NCM523|LiPON|LiNbO₃|Pt,其展现出较高的面容量(16.3μAh·cm^-2)、良好的倍率(30μA·cm^-2下比容量1.9μAh·cm^-2)及长循环稳定性(300圈循环后的容量保持率...     

钾掺杂对钒酸钠纳米片储钠性能的影响

通过水热-热处理方法首次制备了K⁺离子掺杂的钒酸钠（Na₅V₁₂O₃₂）正极材料,对样品进行了TEM、XRD和XPS表征,详细研究了钾掺杂量对样品的结构和储钠性能的影响规律.TEM照片显示,合成的材料具有纳米片形貌.XRD/XPS谱图分析表明,K⁺离子掺杂在钒酸钠晶体的层间.恒流充放电测结果显示,当1 mol Na₅V₁₂O₃₂掺杂0.118 mol K⁺离子时,得到的Na₅K_0.118V₁₂O₃₂样品具有最佳的电化学性能：在1.5~4.0 V范围内,经过几次活化后,其于0.1C、0.2C、0.5C、1C、3C和10C倍率下的最大放电容量分别为169、160、148、132、98和69 mAh·g^-1;3C循环1000次后容量保持率为93.0%.研究结果表明,层间掺杂的K⁺离子不仅扩大了Na₅V₁₂O₃₂晶体的层间距,而且稳定了晶体的结构,从而显著改善了Na₅V₁₂O₃₂材料的倍率性能和循环性能.研究结果证明,适量K⁺离子掺杂的Na₅K_0.118V₁₂O₃₂纳米片有望发展为一种新型钠离子电池正极材料.     

无机质子导体SnP2O7及其复合膜

合成了无机质子导体SnP₂O₇,测定了其从室温到250 ℃不加湿条件下的电导率,170 ℃时,SnP₂O₇的电导率最高为0.053 S/cm。通过溶液浇铸法,分别制备了SnP₂O₇与聚偏氟乙烯 (PVDF) 及磺化聚醚醚酮 (SPEEK) 的复合膜。210 ℃时,SnP₂O₇质量分数为60%的SnP₂O₇/PVDF和SnP₂O₇/SPEEK复合膜的电导率分别为9.2×10^-5 S/cm及9.3×10^-5 S/cm。对SnP₂O₇及其复合膜的质子传导机理,进行了初步探讨。测定了复合膜的机械强度,130 ℃时SnP₂O₇/PVDF的断裂拉伸强度明显优于SnP₂O₇/SPEEK复合膜。     

尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4正极材料首周充放电过程的结构与动力学研究

以NaOH为沉淀剂,采用共沉淀法制备尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄正极材料,使用X-射线衍射（XRD）、傅里叶转换红外光谱（FTIR）和扫描电镜（SEM）分析材料结构与表面形貌. 结果表明,该材料属于空间群的无序尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料,由八面体粒子团聚成3 ~ 6 μm的大粒子. 恒电流充放电结果显示,材料在0.1C倍率下首周放电比容量为121.5 mAh·g^-1,经过150周充放电后,材料比容量无明显衰减,其容量保持率为99%. 用PITT和原位XRD联用技术研究了充放电过程中材料的结构与锂离子扩散系数之间的关系. PITT法测得材料中锂离子的扩散系数为10^-10 ~ 10^-11 cm²·s^-1.     

反应物分散条件对Li1+xV3O8电化学性能的影响

以Li₂CO₃和NH₄VO₃为原料,在不同条件下合成了锂离子电池正极材料用Li_1+xV₃O₈。研究了反应物的分散条件和煅烧温度对产物晶型结构、形貌及电化学性能的影响。 XRD、IR和SEM结果表明,用超声波在无水乙醇中分散反应物得到的前驱体于550 ℃下煅烧,所得产物Li_1+xV₃O₈结晶度低、粒径小、形貌均匀。 充放电、循环伏安等结果表明,该材料在充放电过程中极化低、嵌脱锂位置多、循环稳定性好。 在0.5 C放电条件下,第2次循环放电容量达到268 mA·h/g,100次循环后容量仍保持210 mA·h/g以上。     

锂负极失效的全固态薄膜锂电池的直接回收再利用

作为微电子器件的理想电源，全固态薄膜锂电池(TFB)已经被广泛地研究了几十年，并开始进入商业化应用。然而，目前关于失效TFB的回收与再利用的研究几乎没有，这将会阻碍TFB的可持续发展。本工作针对因金属锂负极失效而造成电池失效的TFB，提出了一种简单的基于最常见LiCoO₂ (LCO)/LiPON/Li TFB (F-TFB)的直接回收再利用的方法。研究发现，F-TFB中的金属锂负极薄膜在循环过程会被部分氧化从而造成电池失效。我们提出利用无水乙醇溶液有效地溶解并去除F-TFB上失效的金属锂负极部分，从而快速地回收底层的LCO/LiPON薄膜。结构分析和表面分析结果表明，回收的LCO/LiPON薄膜中的LCO正极的晶体结构、LCO/LiPON的界面结构以及LiPON电解质的表面保持完好，使其再利用成为了可能。进一步地，我们在回收的LCO/LiPON薄膜上依次沉积了LiPON和Li薄膜，构建得到了电化学性能恢复的LCO/LiPON/Li TFB，并获得了与新制备的TFB相一致的比容量(0.223 mAh∙cm⁻²)、良好的倍率性能和循环寿命(500次循环后容量保持率为77.3%)。这种简单而有效的回收再利用方法有望延长固态电池的使用寿命，减少能源和资源消耗，促进固态电池的可持续发展。     

三维结构Li6.28La3Zr2Al0.24O12增强聚氧化乙烯基固态电解质的性能研究

通过牺牲模板法制备了一种三维框架Li_6.28La₃Zr₂Al_0.24O₁₂(3D-LLZAO)无机电解质,并将其用于构建聚氧化乙烯(PEO)基复合固态电解质膜.通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等物理表征及电化学阻抗谱(EIS)、线性扫描伏安(LSV)和充放电循环等电化学测试方法研究了PEO基固态电解质的性能.结果表明加入10%(w) 3D-LLZAO的PEO基复合固态电解质CPE-10具有较小的体电阻、较宽的电化学稳定窗口.复合电解质CPE-10室温下离子电导率为1.58×10-4 S·cm^-1,锂离子迁移数为0.26.利用复合固态电解质组装的锂锂对称电池可在室温下0.05 mA·cm^-2的电流密度条件下稳定循环1600 h.以磷酸铁锂(LFP)为正极组装的LFP/CPE-10/Li电池在0.5 C倍率下初始放电比容量为155.6m Ah·g^-1,循环100次后容量保持率为86%.     

磷酸钐包覆对高电压镍锰酸锂正极材料电化学性能的影响

尖晶石型镍锰酸锂(LiNi_0.5Mn_1.5O₄)因制备成本低、 放电平台高及循环寿命长等优点, 越来越多地应用于大型储能设备、 能量转换设备、 动力汽车等领域. 然而LiNi_0.5Mn_1.5O₄在高电压(5 V)充电状态下电解液易分解, 从而导致比容量降低以及循环性能衰退. 针对以上问题, 采用水热法制备磷酸钐(SmPO₄)表面包覆改性LiNi_0.5Mn_1.5O₄正极材料, 研究了SmPO₄包覆量对LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料电化学性能的影响. 结果表明, 当SmPO₄包覆量为0.5%(质量分数)时, 改性材料(LNMO@SP-0.5)的电化学性能最优, 在0.2C和5C倍率下的放电比容量分别为129.2和90.9 mA?h/g, 而未包覆的材料Pristine LNMO的放电比容量分别仅有114.2和77.7 mA?h/g. 在常温1C倍率下循环200次后, LNMO@SP-0.5的容量保持率为93.4%, 而Pristine LNMO的容量保持率仅为86.6%. 这归因于SmPO₄包覆能够有效缓解LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料与电解液之间的副反应, 降低电极的极化程度和电荷转移电阻, 增加了Li⁺的扩散系数.     

泡沫镍载 NiCO2O4电极的制备及其催化 H2O2电氧化的性能

本文以水热法结合热处理法原位制备了泡沫镍载 NiCo₂O₄纳米线电极,使用XRD、SEM和TEM对合成的 NiCo₂O₄纳米线进行了表征,NiCo₂O₄纳米线直径约80 nm,长度约 3 ~ 5 μm. 使用循环伏安和计时电流法测试了泡沫镍载NiCo₂O₄纳米线催化H₂O₂的电氧化性能,结果表明泡沫镍载NiCo₂O₄纳米线对H₂O₂电氧化有着优良的催化活性、稳定性和传质性能,在0.3 V电位下0.4 mol·L ^-1 H₂O₂和2 mol·L ^-1 NaOH溶液中氧化电流可达380 mA·cm ^-2.     

Li10GeP2S12固态电解质电极界面特性研究

采用高温固相法合成了固态电解质Li₁₀GeP₂S₁₂,其室温离子电导率为2.02×10^-3 S/cm,并组装了LiNbO₃@LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂/Li₁₀GeP₂S₁₂/Li全固态电池.恒流充放电测试表明全固态电池首次放电容量121.2 mAh/g,库伦效率40周后稳定在99.8%左右,循环100周后容量保持率达93.7%.电化学阻抗谱的测试结果表明,其典型的阻抗谱图由高频区半圆（HFS）、中频区半圆（MFS）和低频区斜线（LFL）组成,其中,HFS归属于电解质阻抗（R_el//Q_el）,MFS归属于电荷传递过程（R_ct//Q_dl）,LFL归属于锂离子的固态扩散过程.通过选取适当的等效电路,对实验所得的电化学阻抗谱数据进行拟合,并分析了R_el和R_ct随电极电位的变化规律.     

以LiCoO2为阴极的全固态薄膜锂电池的研究

Amorphous and oriented polycrystalline LiCoO2 thin films, used as cathode material for an all-solid-state thin film battery, were fabricated by using RF magnetron sputtering and annealed at different temperatures. The morphology and structure of LiCoO2 thin films were characterized by scanning electron microscopy and X-ray diffraction. All-solid-state thin film batteries, comprised of LiCoO2 cathode films with different structures, lithium phosphorous oxynitride electrolyte film and metallic lithium anode film, was successfully prepared and their properties were examined by chronopotentiometry. Results showed that the structure and crystallinity of the LiCoO2 films strongly influenced the electrochemical performance of all-solid-state thin film lithium batteries. Worth nothing was the battery with an oriented polycrystalline LiCoO2 film it exhibited the best electrochemical performance, and delivered a discharge capacity of ～55.4 μAh/cm2μm. Furthermore, when subjected to over 450 charge/discharge cycles, that battery suffered no obvious fode in capacity.     

酞菁锂薄膜的光电流极性研究

利用旋转涂膜法和真空镀膜法制备了以酞菁锂薄膜为工作层的有机光电器件, 结构为氧化铟锡/聚二氧乙基噻吩: 聚对苯乙烯磺酸/酞菁锂/聚偏氟乙稀/铝(ITO/PEDOT: PSS/LiPc/PVDF/Al). 在可见光和近红外脉冲激光照射下, 研究了器件的光电流极性. 在532 nm脉冲激光照射下, 器件的外电路光电流方向从ITO流向铝; 但在1064 nm脉冲激光照射下, 其外电路光电流极性发生反向, 即从铝流向ITO. 酞菁锂薄膜的吸收光谱和X射线衍射谱图显示, 其对可见和近红外光有非常广的吸收, 且为x晶型. 酞菁锂自由基的双极性特性可随入射光波长的变化而改变.     

含氮磷酸锂薄膜在空气中的稳定性

利用射频(RF)磁控溅射方法制备了含氮磷酸锂(LiPON)薄膜. 采用SEM、XRD、XPS等技术以及交流阻抗法和电位线性扫描法, 研究了空气湿度对LiPON薄膜形貌、组成和性能的影响. 结果表明, LiPON薄膜在湿度为40%的空气环境中放置24 h后, 将发生明显的水解反应, 使LiPON薄膜表面形貌变得疏松、局部突起; PH3和NH3的产生, 使薄膜中磷元素和氮元素含量减少, 而Li2CO3的生成, 则使薄膜中碳元素和氧元素含量有明显的增加. LiPON电解质薄膜形貌和组成的变化, 造成了薄膜电化学性能的严重恶化.     

薄膜塑料锂离子电池的初步研究

薄膜塑料锂离子电池的初步研究①董全峰＊＊杨汉西＊艾新平胡晓宏李升宪（武汉大学化学系武汉４３００７２）固态聚合物锂二次电池在过去十几年中一直是高技术研究中的热点．虽然新的聚合物电解质不断出现，有关结构与功能的认识不断深化，但已知的聚合物电解质在干态下室...     

Strain Coupling of Conversion-type Fe3O4 Thin Films for Lithium Ion Batteries

Lithiation/delithiation induces significant stresses and strains into the electrodes for lithium ion batteries, which can severely degrade their cycling performance. Moreover, this electrochemically induced strain can interact with the local strain existing at solid–solid interfaces. It is not clear how this interaction affects the lithiation mechanism. The effect of this coupling on the lithiation kinetics in epitaxial Fe₃O₄ thin film on a Nb-doped SrTiO₃ substrate is investigated. In situ and ex situ transmission electron microscopy (TEM) results show that the lithiation is suppressed by the compressive interfacial strain. At the interface between the film and substrate, the existence of Li_xFe₃O₄ rock-salt phase during lithiation consequently restrains the film from delamination. 2D phase-field simulation verifies the effect of strain. This work provides critical insights of understanding the solid–solid interfaces of conversion-type electrodes.     

Anisotropic Lithium Ion Conductivity in Single‐Ion Diblock Copolymer Electrolyte Thin Films

Well‐defined single‐ion diblock copolymers consisting of a Li‐ion conductive poly(styrenesulfonyllithium(trifluoromethylsulfonyl)imide) (PSLiTFSI) block associated with a glassy polystyrene (PS) block have been synthesized via reversible addition fragmentation chain transfer polymerization. Conductivity anisotropy ratio up to 1000 has been achieved from PS‐b‐PSLiTFSI thin films by comparing Li‐ion conductivities of out‐of‐plane (aligned) and in‐plane (antialigned) cylinder morphologies at 40 °C. Blending of PS‐b‐PSLiTFSI thin films with poly(ethylene oxide) homopolymer (hPEO) enables a substantial improvement of Li‐ion transport within aligned cylindrical domains, since hPEO, preferentially located in PSLiTFSI domains, is an excellent lithium‐solvating material. Results are also compared with unblended and blended PSLiTFSI homopolymer (hPSLiTFSI) homologues, which reveals that ionic conductivity is improved when thin films are nanostructured.

     

Characterization of the Optical and Gas Sensitivities of a Nickel-Doped Lithium Iron Phosphate Thin Film

The influence of heat-treatment temperature on the optical properties (refractive index, transmittance, and attenuation) and gas sensitivities of nickel-doped lithium iron phosphate (LiFe_0.99Ni_0.01PO₄) thin films were discussed. LiFe_0.99Ni_0.01PO₄ was synthesized in one step using hydrothermal methods and fixed to tin-diffused glass as a sensing film by spin-coating before calcination at different temperatures. The obtained thin films were characterized by refractive index, thickness, attenuation, and porosity, as well as gas sensing performances for benzene, toluene, and xylene. The experimental results indicated that the LiFe_0.99Ni_0.01PO₄ thin films dried at 450°C displayed higher refractive indices, good transparency, and less attenuation; thus, the resulting sensor of a LiFe_0.99Ni_0.01PO₄ thin film/tin-diffused optical wave-guide exhibited a greater response to xylene in the concentration range of 0.1–1000?ppm.     

Improved Electrochemical Performance of Mg-doped ZnO Thin Film as Anode Material for Lithium Ion Batteries

Zn1-xMgxO （x = 0, 0.18） thin films were fabricated on the copper substrates by radiofrequency magnetron sputtering using the high pure argon as a sputtering gas. The Zn1-xMgxO films were characterized by X-ray powder diffraction （XRD）, scanning electron microscope （SEM） and galvanostatic tests. The electrochemical test showed an improved electrochemical performance of Zn0.82EMg0.18O thin film as an anode material for lithium ion batteries.     

钇掺杂对磷酸亚铁锂薄膜光波导传感元件气敏特性的影响

利用水热法合成出LiFePO4和钇(Y)掺杂的LiFePO4粉体,并作为敏感试剂,用浸渍-提拉法固定在锡掺杂玻璃光波导表面,分别研制了LiFePO4和LiFe0.99 Y0.01 PO4薄膜/锡掺杂玻璃光波导传感元件.用这些薄膜传感元件对挥发性有机气体进行检测,并比较了它们的气敏特性.结果表明,掺杂Y后LiFePO4薄...