硼高效掺杂LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料及其性能提升机制

高键能异质原子的高效掺杂是稳定高电压LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂（NCM）三元正极材料并提升其电化学性能的有效策略。借助含硼前体在二次颗粒表面富集及随后高温煅烧强化B³⁺体相扩散的策略,构建了硼离子高效掺杂NCM正极材料（NCM-B）。引入B—O键（键能：809 kJ·mol^-1）抑制了电化学反应过程中晶格氧析出,进而稳定材料的氧离子框架;此外,表面残余的高锂离子导体Li₂O-B₂O₃包覆层可以在一定程度上稳定电极-电解液界面。与改性前NCM相比,改性后的NCM-B正极材料在3.0~4.5 V电压区间的可逆比电容量可以达到193.7 mA·h·g^-1,在10 C大功率下,比电容量仍保持120 mA·h·g^-1（NCM仅为78.2 mA·h·g^-1）。1 C下连续循环100圈后,比电容量保持率从73%提升到90%。表面富集和扩散强化的思想也有望实现其他正极材料的高效掺杂。     

陈化温度对LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2型正极 材料电化学性能的影响

以简单的球磨-干燥-煅烧法,制备了具有稳定α-NaFeO2型层状结构（R-3m空间群）的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 型的三元正极材料。通过X射线衍射分析、傅里叶红外光谱、扫描电子显微镜、充放电循环、循环伏安、交流阻抗谱等手段测试了样品的理化性能。研究表明：球磨浆料的陈化温度对样品性能有明显的影响。在0.1C、1C、2C、3C、5C、6C、8C和10C倍率电流和连续充放电下,经过50 ℃陈化浆料制备的亚微米样品的放电容量分别为172.3、161.4、151.5、145.2、136.9、133.2、126.3、121.4 mA·h/g,表现出较好的大倍率电流放电性能。随着循环次数的增加,该样品的锂离子扩散系数和电荷传递阻抗均发生变化。该样品的未循环、充放电循环1次及循环40次样品的锂离子扩散速率分别为1.45×10-16、6.60×10-16、7.92×10-15 cm/s。     

钕表面修饰对三元锂离子电池正极材料Li[Ni0.6 Co0.2 Mn0.2]O2性能的影响

三元正极材料在高能量密度和低成本方面表现出吸引人的性能。然而,这些材料容易在颗粒表面发生降解。所以,在这项工作中选用氧化钕作为涂层包覆在三元正极材料Li[Ni_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)]O_2表面,并进行了一系列表征测试。测试结果显示包覆前后材料具有相同的物相与相似的形貌。当Nd_2O_3的包覆量为x=0.03时,Li[Ni_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)]O_2的电化学性能得到提高,即使在5C倍率下,放电容量仍能达到113.2 mAh·g~(-1)。在0.2C下100次循环后容量保持率为88.2%。因此通过氧化钕的包覆可以提高材料的结构稳定性以及电化学动力学。     

微波共沉淀法制备锂离子电池正极材料LiNi0.8Co0.2O2

采用微波共沉淀法合成了制备LiNi0.8Co0.2O2的前驱体球形α-Ni0.8Co0.2(OH)2,将其与LiOH·H2O混合,在氧气氛围下,用不同的烧结温度分别烧结10小时获得LiNi0.8Co0.2O2正极材料。用XRD、SEM对所制备的正极材料进行结构和形貌分析,用恒流充放电测试材料的电化学性能。结果表明,烧结温度对材料结构和电化学性能影响较大,所合成材料均具有α-NaFeO2的层状结构,烧结温度越高材料结晶越完善。900℃烧结的LiNi0.8Co0.2O2材料初级颗粒结晶最完善而且其二次团聚粒子的平均粒径最小,其表现出的电化学性能也最好,首次放电容量为189.1mA·h·g-1,首次循环放电效率达到92.5%。30循环后放电容量保持在148 mA·h·g-1,显示出较好的循环稳定性。     

铷掺杂三元正极材料Li1-xRbxNi0.4Co0.2Mn0.4O2的制备及其电化学性能

采用共沉淀法制备了三元材料LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2,掺杂不同比例铷进行改性,对其进行了结构表征,考察了其电化学性能. 结果表明,Li0.97Rb0.03Ni0.4Co0.2Mn0.4O2样品的结晶度较好,铷掺杂起到了稳定三元材料晶体结构的作用,有效改善了材料的电化学性能,5C倍率下放电比容量达130 mA?h/g.     

高电压LiNi0.5Mn1.5O4正极材料现状及展望

LiNi0.5Mn1.5O4正极材料具有高能量密度、三维的锂离子传输通道、无毒、安全性高等优势,成为近些年来锂离子电池领域中最具有研究前景的材料之一.介绍了LiNi05Mn15O4正极材料的结构,综述了LiNi05Mn15O4材料常见的制备和改性方法,着重介绍了LiNi05Mn1.5O4微米级单晶形貌对材料性能的影响,并结合当前研究进展对LiNi0.5Mn1.5O4材料未来的发展趋势进行展望.     

Li3VO4修饰富镍LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极材料的电化学性能

采用湿法融合技术及高温固相法合成Li₃VO₄包覆的LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂正极材料。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等方法研究材料的结晶相、形貌、微观结构。研究表明,Li₃VO₄均匀地包覆在LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂表面,未改变原材料的材料结构和形貌,包覆层厚度为1～2 nm。不同含量的Li₃VO₄对LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂正极材料进行修饰研究表明,3%（质量）Li₃VO₄包覆的LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂在1 C下100次循环后容量保持率为94.13%,具有最佳的倍率性能和循环性能。此外,循环伏安（CV）和交流阻抗（EIS）分析表明,Li₃VO₄能提高Li⁺电导率,抑制活性材料与电解液之间的副反应,提高材料的电化学性能。     

熔融盐法合成高密度锂离子电池正极材料LiNi0.8 Co0.2 O2

采用热分析法对不同组成的LiOH-LiNO3二元体系进行研究,绘制了具有最低共熔点的该二元体系的步冷曲线和t-x相图,该体系的最低共熔点为175.7℃。利用低共熔混合物LiNO3-LiOH为锂盐,与高密度前驱体Ni0.8Co0.2(OH)2混合经2个恒温阶段烧结(600℃恒温6 h、800℃恒温24 h)制备出了振实密度高达3.23 g/cm3的锂离子电池正极材料LiNi0.8Co0.2O2。X射线衍射分析表明合成的LiNi0.8Co0.2O2具有规整的层状NaFeO2结构。电性能测试表明:在0.5 mA/cm2放电电流密度和3.0—4.3 V的电压范围内,LiNi0.8Co0.2O2首次放电比容量达175(mA.h)/g,放电比容量为163(mA.h)/g,库仑效率为93%。实验结果表明采用该工艺能够制备出电化学性能良好的锂离子正极材料。     

TiO2包覆对LiNi0.5Mn1.5O4正极材料电化学性能的影响

采用TiO_2对LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4 (LNMO)正极材料进行表面包覆,以达到改善LNMO电化学性能的目的。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、恒流充放电、循环伏安(CV)和交流阻抗(EIS)测试手段对制备的材料进行结构表征和电化学性能评价。结果表明,TiO_2能够在LNMO表面形成包覆层,且LNMO-T-2样品(TiO_2包覆量为w=1.0%)表现出最为优异的倍率性能及循环稳定性。LNMO-T-2样品在5和7 C (1 C=140 mAh·g~(-1))倍率下的放电比容量为102.3和72.1 mAh·g~(-1),比未包覆改性的LNMO分别提高14.3%和33.5%。另外,LNMO-T-2样品在2 C倍率下进行200次循环后放电比容量保持率达到87.9%,高于未包覆改性的LNMO的放电比容量保持率(82.7%)。LNMO-T-2样品电化学性能的改善归因于TiO_2表面包覆可以有效减小电极极化,同时降低电荷转移阻抗(R_(ct))。     

铝掺杂富锂锰基正极材料Li1.2Ni0.2Mn0.6O2的研究

针对无钴锰基富锂材料Li_1.2Ni_0.2Mn_0.6O₂固有的循环稳定性差、循环电压衰减严重等问题,研究了铝掺杂结合固相煅烧法对该材料在微观形貌及结构、电化学性能等方面的影响。研究结果显示,铝掺杂不仅能促使该材料的表层形貌更加致密,而且可以为该材料带来更稳定的晶体结构,这有利于该材料在长充放电循环中抵抗因结构降级带来的一系列不利因素,最终致使其电化学性能更加优异。此外,当铝掺杂量为1%（物质的量分数）时该材料在高倍率下的放电比容量、循环稳定性、电压保持率等均达到最优效果,在2.0~4.8 V电压区间内0.1C倍率下首圈放电比容量高达248.8 mA·h/g,200圈循环充放电后其放电比容量保持率由未掺杂时的57.9%提升至77.6%,循环电压保持率也由84.2%提升至85.6%。以上结果充分显示了1%铝掺杂对锰基富锂材料Li_1.2Ni_0.2Mn_0.6O₂具有优异的改良效果。     

正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的合成工艺优化及电化学性能

采用高温固相法合成锂离子电池富镍三元材料LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂,对其工艺条件进行优化,对产物进行X射线衍射（XRD（,扫描电镜（SEM（以及电化学性能分析。结果表明：在氧气气氛下,锂与金属元素摩尔比为1.05:1、烧结时间15 h、烧结温度750℃为最佳合成工艺条件。按最佳工艺合成的样品在1C首次放电容量高达174.9 mA·h·g^-1,50次循环后比容量为158.5 mA·h·g^-1,容量保持率为90.62%,表现出良好的循环稳定性。XRD和SEM表征表明,在氧气气氛下烧结的样品有良好的层状结构,阳离子混排程度小,具有较好的类球形,粒径均匀分布在10~20 μm。循环伏安（CV（和电化学阻抗（EIS（结果表明,工艺条件的优化有助于提高正极材料的电化学性能。     

锂离子电池LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料的性能研究(Ⅰ)

采用共沉淀法和高温固相烧结相结合,合成了锂离子电池层状LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料。采用ICP-AES元素分析方法、XRD和SEM对LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料的成分、结构和形貌进行了表征。SEM测试结果表明,LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的形貌近似为球形,且颗粒分布均匀。并对其进行了充放电性能测试,结果表明:LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2在25℃、2.5～4.6 V、0.1 C倍率下,首次放电容量达189.32 mAh.g-1(锂为负极),C/LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2在1 C、2.75～4.2 V下,初始放电比容量为145.5 mAh/g,循环100次后,容量保持率为98.41%。是一种有发展前景的锂离子电池正极材料。     

Cr掺杂对富锂锰基正极材料Li1.2Ni0.2Mn0.6O2结构和电化学性能的影响

采用共沉淀-高温固相合成法制备锂离子电池正极材料Li_1.2Ni_0.2Mn_0.2-x/2Mn_0.6-x/2Cr_xO₂（x=0,0.04,0.08,0.12）。利用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、恒电流充放电测试和电化学交流阻抗谱（EIS）对掺杂不同Cr含量的正极材料的结构、形貌和电化学性能进行分析测试。结果表明：制备出的Li_1.2Ni_0.2Mn_0.2-x/2Mn_0.6-x/2Cr_xO₂正极材料均具备层状固溶体结构。Cr掺杂不会改变材料的结构,而且能够有效抑制循环过程中材料由层状向尖晶石结构转变的过程。当Cr的掺杂量为8%（即x=0.08）时,得到的正极材料Li_1.2Ni_0.16Mn_0.56Cr_0.08O₂具有最好的电化学性能。0.1C的首次放电比容量由未掺杂的230.4 mA·h·g^-1增加到246.6 mA·h·g^-1,在0.2C电流下50次循环后的容量保持率由93.5%提高至95.36%,5C的放电比容量由91.5 mA·h·g^-1增加到104.2 mA·h·g^-1。而且x=0.08时制备的样品具有最小的电荷转移阻抗。     

钴掺杂对Li1.2Mn0.6Ni0.2O2电化学性能的影响

利用共沉淀法制备了锂离子电池正极材料Li1.2Mn0.6Ni0.2O2和Li1.2Mn0.588Ni0.196Co0.016O2,并利用XRD、SEM和充放电测试对其晶体结构、形貌和电化学性能进行了表征.XRD结果表明:掺杂钴材料后,材料的层状结构保持完整,阳离子混排程度降低.电化学性能测试结果表明:掺钴材料的首次充放电效率和倍率放电性能明显优于Li1.2Mn0.6Ni0.2O2,且表现出较优的循环性能,其1、2、5C放电比容量分别为230.3、215.6、155.6 mA·h/g,1 C下循环50次的容量保持率为90.9％.     

层状结构LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料制备过程与电化学性能

采用固相自引发基团置换法结合高温焙烧制备了亚μm级的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料。研究了热处理气氛、烧结时间对材料结构及性能的影响。研究结果表明在空气氛围下900℃焙烧20 h制备的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料具有最佳的电化学性能。     

不同铝源对LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料的包覆改性研究

分别以纳米氧化铝、氢氧化铝及异丙醇铝为原料,采用液相浸渍法对LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料进行氧化铝包覆,考察不同包覆源在LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料表面进行氧化铝包覆后对材料电化学性能的影响。SEM及XRD结果显示,产物为层状α-NaFeO2结构,氧化铝均匀包覆在LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料表面。充放电性能测试结果表明,在3种铝源中,以异丙醇铝为包覆源的材料性能最佳：在3.0~4.6 V的电压下,0.1 C倍率下首次放电比容量为196.1 mA·h/g, 1 C下循环50周后容量保持率为95.6%。     

退火工艺对LiNi0.5Mn1.5O4正极材料 电化学性能的影响

采用共沉淀法合成LiNi0.5Mn1.5O4正极材料并对其进行退火处理,研究退火温度对材料电化学性能的影响。结果表明,退火温度会导致LiNi0.5Mn1.5O4正极材料中Mn3+含量的变化,进而影响材料的倍率性能和循环性能。其中,625 ℃退火8 h所制备的样品表现出最好的电化学性能,其0.2 C倍率首次放电容量为130.8 mA·h/g;1 C倍率首次放电容量为126.5 mA·h/g,50次循环后,容量保持率高达100.8%。     

高密度LiNi_(0.8)Co_(0.2)O_2的合成

以二次干燥化学共沉淀法制得高密度前驱体Ni0.8Co0.2(OH)2,再与LiNO3混合,经600℃恒温6 h,800℃恒温24 h两个恒温阶段烧结,得到高密度LiNi0.8Co0.2O2,探讨了锂源、镍源、Li/(Ni+Co)摩尔比、合成温度等因素对产品的影响,优化了LiNi0.8Co0.2O2的合成工艺。所得非球形LiNi0.8Co0.2O2粉末振实密度高达3.15 g/cm3,大幅度地提高正极材料的体积比能量。X射线衍射分析表明,合成的LiNi0.8Co0.2O2具有规整的层状NaFeO2结构,充放电测试表明,材料具有良好的电化学性能。     

5 V尖晶石型无钴LiNi0.5Mn1.5O4正极材料进展综述

作为下一代锂离子电池或固态电池的候选正极材料,镍锰酸锂LiNi0.5Mn1.5O4正在吸引研究者的兴趣。本工作介绍了LiNi0.5Mn1.5O4的晶体结构、合成方法、电化学反应机制、材料的电学属性以及材料的优势,同时介绍了目前阻碍其产业化应用所存在的技术障碍：高温循环差、过程库伦效率低、金属溶出及相变、高电压下电解液分解、全电池产气等。针对存在的主要技术问题,深入讨论分析其内在的原因,并总结了若干材料层面的解决思路：微观形貌调控、新黏结剂匀浆策略、掺杂、包覆、高电压电解液匹配、制备过程控制、全电池应用研究等,另外还推测了可能的应用场景。LiNi0.5Mn1.5O4材料的商业化应用还有赖于电池层面的精细结构设计。综述目的是希望研究者更加关注LiNi0.5Mn1.5O4材料的产业化应用研究。