固体核磁共振技术在锂/钠离子电池碳负极中的应用及研究进展

碳负极材料作为锂/钠离子电池的传统负极材料一直获得广泛的推广和应用，但其仍存在充电时间长、库伦效率低等问题，研究碳负极材料充放电机理是解决这些问题的关键.固体核磁共振（NMR）技术是一种研究固体材料中目标原子所处化学环境以及材料内部结构变化的有效手段.通过测定锂/钠离子电池中⁶Li、⁷Li和²³Na高速魔角旋转（MAS）条件下的固体NMR谱图，能够清晰获得锂/钠离子电池碳负极脱/嵌过程中的结构变化，以及碳原子与Li/Na的配位情况，从而为碳负极材料的设计及其电化学性能的提升提供充分的理论依据.本文综述了近年来固体NMR技术在锂/钠离子电池碳负极材料研究中的应用以及相关研究进展.     

富锂正极材料在全固态锂电池中的研究进展

开发高能量密度、长循环寿命、低成本和高安全性的全固态锂电池是发展下一代锂离子电池的重要方向之一.富锂层状氧化物正极材料由于阴阳离子协同参与氧化还原反应,可以提供更高的放电比容量(>250 mAh/g)和能量密度(>900 Wh/kg),将其应用于全固态锂电池中有望推动锂离子电池能量密度突破500 Wh/kg的中长期目标.然而,富锂正极材料的电子导电性差、阴离子氧的不可逆氧化还原反应以及循环中的结构相变,导致该材料在电化学循环过程中存在初始库仑效率低、循环稳定性差和电压衰退等问题.此外,富锂正极材料的工作电压较高(>4.5 V vs.Li/Li⁺),使正极/电解质之间不仅面临常规的界面化学反应,释放的氧还会加剧界面的电化学反应,对正极/电解质的界面稳定性提出了更高的要求.因此,富锂正极材料的本征特性和富锂正极/电解质间严重的界面反应极大限制了富锂正极材料在全固态锂电池中的应用.本文首先详细阐述了富锂正极材料在全固态锂电池中的失效机制,其次综述了近年来富锂正极材料在不同固态电解质体系下的研究进展,最后总结和展望了富锂全固态锂电池未来的研究重点和发展方...     

FAAS测定锂离子电池正极材料LiMn2O4中的杂质钠

采用火焰原子吸收光谱法测定锂离予电池正极材料LiMn2O4中杂质Na的含量.综合考虑了消电离剂氯化铯、盐酸浓度、基体对测Na产生的影响,通过控制酸的浓度和在标准溶液中加入定量基体和消电离剂氯化铯来消除测定误差.由实验结果可知本方法简便易行,灵敏度和准确度高,精密度好,回收率在96.2%-103.8%之间,相对标准偏差(RSD)小于2%(n=10),能够满足锂离子电池正极材料分析的要求.     

Li含量对Li3xLa((2/3)–x?(1/3)–2x)TiO3固态电解质表面稳定性、电子结构及Li离子输运性质的影响

Li_3xLa₍(2/3)–x^?(1/3)–2x)TiO₃(LLTO)是一类颇具前景的锂离子电池固态电解质.本文采用第一性原理结合分子动力学方法对贫锂相和富锂相两种类型的LLTO表面进行研究,分析表面Li含量对其稳定性、电子结构及Li离子输运性质的影响.结果表明,具有La/O/Li-原子终端的(001)面为最稳定晶面.对于LLTO(001)面,当贫锂相/富锂相终端Li含量为0.17/0.33,0.29/0.40,0.38/0.45时,其表面结构更为稳定.电子结构分析表明,随着Li含量的增大,不论是贫锂相还是富锂相,其(001)表面均发现金属至半导体的转变.Li离子输运性质的研究结果表明,贫锂相和富锂相LLTO(001)表面均具有沿ab平面的二维扩散通道,且当终端Li含量分别达到0.38和0.40时具有最大的Li离子扩散系数及最低的Li离子扩散能垒,最低扩散能垒分别为0.42 eV和0.30 eV.因而,改变终端Li含量有利于提高LLTO(001)表面稳定性、打开表面带隙、改善Li离子迁移性能,这有助于...     

石墨/Li（Ni1/3Co1/3Mn1/3）O2电池充放电过程中电极材料的XRD研究

利用XRD系统地研究了石墨/Li（Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3）O₂ 18650型锂离子电池充放电过程中正负极活性材料的晶体结构和微结构的变化.已观测到,由于Li原子的脱嵌,使得LiMO₂点阵参数a缩小,c增大,微应变增大,衍射强度比I₁₀₄/I₁₀₁和I₀₁₂/I₁₀₁降低;此外,由于Li原子的嵌入,2H-石墨的点阵参数a和c,以及微应变ε和堆垛无序度P都增加.同时,讨论了活性材料Li（Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3）O₂和石墨在电池充放电过程中的嵌脱锂的物理机理.在充电时,正极Li（Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3）O₂中处于（000）位的Li原子优先脱离晶体点阵,继后才是位于（2/3 1/3 1/3）和（1/3 2/3 2/3）位的Li原子离开点阵.锂嵌入石墨,优先进入碳原子六方网格面间的间隙位置,当负极的堆垛无序度达到一定值后,3R相逐渐析出.当电池满充或过充时,在六方石墨中形成LiC₁₂和LiC₆相.放电时,与上述过程相反,但并非是完全可逆的. 关键词： 锂离子电池 微结构 X射线衍射 嵌脱锂物理机理     

有机电解质锂空气电池放电特性分析

为了研究有机电解质锂空气电池放电过程的内部反应机理,本文以有限元方法为基础,利用有限元软件COMSOL建立了一个耦合了Butler-volmer方程、Fick定律方程、偏微分方程的二维数值模型,研究有机电解质锂空气电池放电过程中的传质规律,分析了沉积物形貌、正极多孔材料厚度对电池放电特性的影响,在一定放电电流密度下,小的过氧化物沉淀形貌系数导致放电电压降低,降低正极厚度有利于电池的放电特性,靠近正极集流体附近电化学反应剧烈,但生成的过氧化物多,阻塞在靠近正极集流体一侧,导致电流密度迅速降低,研究结果对理解有机电解质锂空气电池的工作原理具有重要帮助.     

(Sb2Te3)0.75(1－x)(Bi2Te3)0.25(1－x)(Sb2Se3)x机械合金化粉体的制备及其冷压烧结样品的热电性能研究

采用机械合金化法制备了p型赝三元(Sb₂Te₃-Bi₂Te₃-Sb₂Se₃)合金粉体，对其进行XRD分析表明Te，Bi，Sb，Se单质粉末，经100h球磨后实现了合金化；SEM分析表明所得机械合金化粉体材料颗粒均匀、细小，颗粒尺寸在10nm到100nm量级.使用这种粉体制备了冷压烧结块体样品，在室温下测量了温差电动势率(α)和电导率(σ)，研究了烧结温度对材料热电性能的影响，结果表明在低于300℃的烧结温区，样品室温下的热电性能随烧结温度的升高不断提高，功率因子(α²σ)由未烧结样品的0.59μW cm^-1K^-2升高到在300℃下烧结样品的15.9μW cm^-1K^-2，这一结果对确定材料的最佳烧结温度具有重要意义. 关键词： 赝三元热电材料 机械合金化 冷压 烧结     

LiNi1-x-yCoxMnyO2正极材料的制备与电化学性能

LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂正极材料作为最有商业化前途的锂离子电池正极材料，近年来成为研究者关注的焦点。但目前针对该材料合成工艺的研究还较少。对LiNi_0.8Co_0.15Mn_0.05O₂开展了不同的烧结工艺研究，并对制备出的正极材料进行了表征和性能测试。研究发现在0.1C (电池容量额定值)倍率下充放电比容量为200 mA·h·g-1左右，在1C倍率循环100次下，480 ℃@3 h + 780 ℃@5 h和500 ℃@5 h + 780 ℃@10 h两种烧结工艺下容量保持率分别为94%和86%，说明用这两种工艺制备的正极材料的综合性能最优。     

锂离子电池富锂锰基三元材料中氧空位簇的形成:第一原理计算

采用第一原理方法计算了两种不同镍含量的锂离子电池富锂锰基三元正极材料Li_1.2Ni_0.32Co_0.04Mn_0.44O₂(空间群为■)和Li_1.167Ni_0.167Co_0.167Mn_0.5O₂ (空间群为C2/m)中氧空位簇的形成能.结果表明,含镍量较少的Li_1.167Ni_0.167Co_0.167Mn_0.5O₂正极材料中氧空位簇的形成能总是高于含镍量较多的Li_1.2Ni_0.32Co_0.04Mn_0.44O₂材料中的氧空位簇形成能,这说明含镍量较高的正极材料中氧空位簇更容易形成.无论是含镍量较高的富锂锰基材料,还是含镍量较少的同类材料,过渡金属边上的氧空位簇的...     

锂电池正极材料Li(Co,Ni)O2化合物的第一性原理研究

锂离子电池以其高能量存储密度和优良的循环性能而受到广泛关注, 尤其是其正极材料成为储能材料领域的研究热点.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对LiCoO2,LiNiO2和Li(Co0.5Ni0.5)O2化合物的晶体结构、电子结构、化学键合特性进行了研究. 结果表明：Li(Co0.5Ni0.5)O2化合物中主要是氧和过渡金属之间成键, 锂原子对晶体总态密度贡献很少. Ni/Co混合后将导致Li(Co0.5Ni0.5)O2中Co的3d轨道和O的2p轨道之间成键得以加强.     

锂电池正极材料Li(Co,Ni)O2化合物的第一性原理研究

锂离子电池以其高能量存储密度和优良的循环性能而受到广泛关注, 尤其是其正极材料成为储能材料领域的研究热点.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对LiCoO2,LiNiO2和Li(Co0.5Ni0.5)O2化合物的晶体结构、电子结构、化学键合特性进行了研究. 结果表明：Li(Co0.5Ni0.5)O2化合物中主要是氧和过渡金属之间成键, 锂原子对晶体总态密度贡献很少. Ni/Co混合后将导致Li(Co0.5Ni0.5)O2中Co的3d轨道和O的2p轨道之间成键得以加强.     

高氯酸消解-ICP-OES测定炭复合磷酸铁锂中的锂、铁、磷

磷酸铁锂是锂电行业主要的产业化原料之一,与传统钴酸锂相比,在比能量、寿命、成本、环境兼容性上有显著优势。以锂离子电池用正极材料炭复合磷酸铁锂为研究对象,采用电感耦合等离子体发生光谱仪（ICP-OES）同时测定其中的锂、铁、磷含量。对样品消解、谱线选择、仪器工作参数、溶剂效应消除、谱线背景干扰消除、分析方法正确度、精密度进行了讨论。炭复合磷酸铁锂样品中含约5%的碳单质,0.1 g样品用5 mL高氯酸加热消解至目视澄清后,再反复加蒸馏水-加热冒烟2次,可完全消解。样品消解情况用三维视频显微镜确认,目视澄清的消解液经30倍放大后,仍可见有未消解的颗粒物;继续加蒸馏水-加热冒烟2次后,消解液经30倍放大观察,确认样品已消解完全。消解后的试液定容至100 mL,按10∶100稀释,得到同时测定锂、铁、磷含量的溶液。样品消解仅使用高氯酸一种试剂,操作便捷,样品中的碳单质被完全消解,消除了碳单质包覆样品对测定结果准确性的影响。仪器最佳工作条件为：高频功率：1.1 kW;雾化器流量：0.8 L·min-1;分析谱线-观测方向/高度：Li610.365 nm-轴向、Fe259.940 nm-径向/12 mm、P178.222 nm-轴向、P213.618 nm-径向/12 mm。使用随样品消解同时处理的试剂空白,按基体匹配法配制标准溶液,能最大程度减小溶剂基质效应。对于Li610.365 nm使用快速自动曲线拟合技术（FACT）消除仪器工作气体氩气的Ar610.564 nm背景干扰,显著提高校准曲线的线性系数及分析精密度。在仪器最佳工作条件下,测定范围为锂1%~9%,铁20%~40%,磷10%~30%;校准曲线线性关系系数r＞0.999 0;重复测定样品的相对标准偏差（RSD,n=7）在0.35%~1.01%之间;加标回收率在91.2%~112%之间;实验室双人内部循环（IRR）结果使用F,t（双样本异方差假设）检验进行差异性评价,两人平行试验结果无明显差异。分析方法具有推广应用价值。     

第一性原理计算研究黑磷嵌锂态的动力学性能

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对锂离子电池负极材料黑磷在嵌锂过程中的产物LiP5,Li3P7以及LiP的晶体结构与电子结构进行了研究与分析．通过计算这几种材料的电子结构,发现黑磷嵌锂后的这几种相均为半导体能带结构,其带隙均比黑磷嵌锂前的带隙大,表明黑磷嵌锂后的电子电导性能降低了．利用弹性能带方法模拟了Li离子在LiP5,Li3P7和LiP材料中的扩散,从理论上得到了Li离子的扩散势垒,并与其他电极材料进行了比较,发现Li离子在各种嵌锂态的材料中都能够比较快速的扩散．计算结果表明,Li在LiP5中的扩散系数大约为10^-4cm2／s,扩散通道是一维的;Li在Li3P7中的扩散系数为10^-7-10^-6cm2／s,扩散通道是三维的;Li在LiP中的扩散系数为10^-8-10^-5cm2／s,扩散通道是三维的．     

磷酸铁锂正极材料的研究进展

锂离子电池正极材料磷酸铁锂(LiFePO4)的理论比容量为170mAh·g-1,电压平台为3.5V(vs.Li/Li+),安全性好,原材料来源丰富,成本低,对环境友好,因此成为当前研究热点之一.文章从LiFePO4的晶体结构和充放电机制入手,分析了其导电性和倍率性能差的原因,回顾了其充放电机制研究的进展,综述了各种改善LiFePO4导电性、提高其倍率性能的方法,最后对LiFePO4正极材料的研究方向进行了展望.     

固体核磁共振研究单斜磷酸钒锂的进展(英文)

在过去的二十年里，单斜型磷酸钒锂作为一种有前景的锂离子电池正极材料被广泛研究.固体核磁共振技术是一种研究原子局部环境和运动性，并能反映材料中长程/短程有序结构变化的有力表征手段，可以从多个角度满足磷酸钒锂材料的研究需求.本文从充放电机理、锂离子的迁移率和动力学、碳包覆、阳离子掺杂等方面简要介绍了固体核磁共振技术在单斜磷酸钒锂正极材料研究中的应用，同时涵盖了相关的理论计算工作.     

无锂助熔剂B_2O_3对Li_(1.3)Al_(0.3)Ti_(1.7)(PO_4)_3固体电解质离子电导率的影响

采用固相法制备锂离子电池用固体电解质磷酸钛锂铝Li_(1.3)Al_(0.3)Ti_(1.7)(PO_4)_3(LATP),研究了不同烧结温度以及助熔剂对LATP固体电解质离子电导率的影响.采用X射线衍射、能谱分析、扫描电镜和交流阻抗等方法,研究样品的结构特征、元素含量、形貌特征以及离子导电性能.结果表明,在900?C烧结可以获得结构致密、离子电导率较高的纯相LATP陶瓷固体电解质.与添加助熔剂Li BO2的样品进行对比实验发现,采用B_2O_3代替LiBO_2作为助熔剂也可以提高烧结样品的离子电导率,并且电解质的离子电导率随助熔剂添加量的增大,先增大后减小,其中添加质量百分比为2%的B_2O_3的样品具有最高的室温离子电导率,为1.61×10~(-3)S/cm.     

低共熔溶剂回收锂离子电池正极材料的研究

废旧锂离子电池不仅造成了严重的资源浪费同时还带来严重的环境污染问题.传统锂离子电池材料回收方法存在高能耗、高成本以及二次污染等不足.本文成功制备出乙二醇/氯化锌低共熔溶剂(DES),利用其对金属氧化物优秀的溶解能力,用于三元锂离子电池正极材料有价金属的回收,并分析了不同氯化锌浓度对低共熔溶剂热物性及其浸取能力的影响,对...     

钠离子层状氧化物材料相变及其对性能的影响

钠离子电池近年来在大规模储能领域展现出优异的发展和应用前景.由于钠离子层状过渡金属氧化物正极材料(Na_xTMO₂)具有比容量高、容易制备、电压可调和成本低的优势,在学术界和产业界得到了广泛的关注与研究.但较大的Na~+半径和较强的Na~+-Na~+静电排斥作用,导致Na_xTMO₂具有多种结构类型和复杂的结构转变,以及由此形成了多重结构-性能关系.本文详细介绍了Na_xTMO₂的结构类型,综述了在Na~+脱出/嵌入过程中引发的结构演变,旨在揭示钠离子层状过渡金属氧化物正极材料结构转变机理及其对电化学性能的影响,最后讨论了现存的挑战并提出了改进策略.     

高性能的钛掺杂O3相O3-Na1-xCr1-xTixO2(x=0, 0.03, 0.05)用于钠离子电池正极材料的研究

本文通过凝胶热聚合路线合成了层状的O3相正极材料Na_1-xCr_1-xTi_xO₂(x=0, 0.03, 0.05),采用X射线衍射、扫描电子显微镜来分析其晶体结构和微观形貌. 研究发现,适量的钛掺杂有助于形成更均匀的颗粒并且会改变样品的颜色. 作为钠离子电池正极材料,Na//Na_0.97Cr_0.97Ti_0.03O₂具有非常高的库伦效率(首次高于96%),并且在2.0-3.6 V的电化学窗口下,用0.2 C的倍率循环100次,只有4%的容量衰减;在32 C倍率下有110 mAh/g的比容量.     

高性能的钛掺杂O3相Na_(1-x)Cr_(1-x)Ti_xO_2(x=0,003,005)用于钠离子电池正极材料的研究（英文）

本文通过凝胶热聚合路线合成了层状的O3相正极材料Na_(1-x)Cr_(1-x)Ti_xO_2(x=0 0.03, 0.05),采用X射线衍射、扫描电子显微镜来分析其晶体结构和微观形貌.研究发现,适量的钛掺杂有助于形成更均匀的颗粒并且会改变样品的颜色.作为钠离子电池正极材料,Na//Na_(0.97)Cr_(0.97)Ti_(0.03)O_2具有非常高的库伦效率(首次高于96%),并且在2.0-3.6 V的电化学窗口下,用0.2 C的倍率循环100次,只有4%的容量衰减;在32 C倍率下有110 mAh/g的比容量.