纳米储锂材料和锂离子电池

简单综述了锂离子电池的基本原理和发展现状,对中国科学院物理研究所固体离子学课题组在纳米储锂材料方面的研究进展做了介绍.用HRTEM等手段研究了纳米SnO、纳米Si以及纳米SnSb合金在Li入脱嵌过程中结构的变化.着重介绍了一种具有纳米微孔的球形硬碳材料和纳米SnSb合金钉扎的复合负极材料,在高功率密度和高能量密度锂离子电池方面具有广阔应用前景.     

纳米储锂材料和锂离子电池

简单综述了锂离子电池的基本原理和发展现状，对中国科学院物理研究所固体离子学课题组在纳米储锂材料方面的研究进展做了介绍。用HRTEM等手段研究了纳米SnO、纳米Si以及纳米SnSb合金在Li入脱嵌过程中结构的变化。着重介绍了一种具有纳米微孔的球形硬碳材料和纳米SnSb合金钉扎的复合负极材料，在高功率密度和高能量密度锂离子电池方面具有广阔应用前景。     

锂离子电池正极材料Li_2MnO_3稀土掺杂的第一性原理研究

掺杂是锂离子电池电极材料优化改性的一种有效的方法.稀土元素因其具有高的电子电荷、大的离子半径以及强的自极化能力,成为掺杂改性的重要选择.本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了稀土元素(La, Ce, Pr, Sm)掺杂的锂离子电池正极材料Li_2MnO_3的性质.通过稀土元素的掺杂, Li_2MnO_3材料的晶格常数和晶胞体积都有不同程度的增大.由于稀土原子的价态不同,导致掺杂后的Li_2MnO_3的电子结构性质不同. La掺杂的Li_2MnO_3表现出金属性,而Ce, Pr, Sm掺杂的结构为半导体性质,但带隙与未掺杂情况下相比有所减小. Li_2MnO_3中的Li离子迁移在La和Ce掺杂后展示出复杂的能垒变化.在远离稀土离子处,Li离子迁移势垒比未掺杂时减小,但在靠近稀土离子处则表现为势垒变化的多样性.当Li离子在离稀土离子最近的位置处进行迁移,势垒有明显的增加,这一结果与稀土离子周围的局域结构变化大密切相关.     

锂离子电池相关材料的Raman光谱学研究

锂离子电池是目前综合性能最好的可充电池。本文总结我们实验室用Raman光谱学研究锂离子电池相关材料的一些结果 ,包括聚合物电解质的微结构和离子输运机制 ,低温热解碳负极材料的结构表征和锂离子在其中的嵌入 /脱出机理 ,元素替代引起正极材料LiMn2 O4的结构变化以及在充放电过程中电极 /电解质界面形成的钝化层的性质及其对电池性能的影响     

锂离子电池用具有分级三维离子电子混合导电网络结构的纳微复合电极材料

文章评述了分级三维离子电子混合导电网络结构和具有该结构的纳微复合电极材料在锂离子电池中的应用等方面的最新研究工作进展.首先介绍了纳微复合电极结构相关概念及其优缺点,然后列举了一些运用此概念设计并构筑出的电极材料实例.研究证明,此新型电极结构能够大幅提高锂离子电池电极材料的储锂性能,并且该结构设计还可推广到其他电化学储能...     

X射线光电子能谱在固态锂离子电池界面研究中的应用

固态锂离子电池因具有高安全、高能量密度等多种优势而备受关注,但目前固态锂离子电池尚未大规模商业化,主要原因是固态锂离子电池中存在的关键科学问题和技术问题尚未解决,特别是界面问题,例如界面的高电阻与不稳定性. X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)作为重要的表面分析手段,可以定性和半定量地进行界面的化学分析,这使得XPS可以广泛应用于固态锂离子电池界面的研究.本文综述了近年来利用XPS进行固态锂离子电池界面的研究进展,并对XPS实验原理、实验方法、实验结果及其对界面性能的影响进行了总结与评述. XPS研究固态锂离子电池界面的方法主要为非原位XPS、反映电池界面实时变化的原位XPS、以及基于电池真实工作条件的operando XPS,所获取信息包括界面反应发生后元素的化学状态、实时界面反应过程中界面元素的变化情况、由元素结合能位移反映的能带结构变化和界面组分的过电位等信息,从而加深对固态锂离子电池界面成分、结构变化和界面反应动力学及界面离子迁移等方面的认识.     

锂离子电池正极材料Li_2FeO_2的电子结构性质和Li扩散

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了锂离子电池正极材料Immm-Li_2FeO_2的声子谱、电子结构性质和Li扩散系数并与Li_2MO_2 (M=Co, Ni, Cu)材料进行对比.计算结果显示, Immm-Li_2FeO_2材料具有结构稳定性,计算结果呈铁磁性,能带结构具有半金属的特征. Fe离子外层d电子呈低自旋态,自旋极化P=8.01%.利用分波态密度分析了自旋向上和自旋向下的电子能带结构.此外,采用微动弹性带方法计算了各个方向上Li扩散的势垒,结果表明Li离子比较容易先进行c轴方向的迁移,迁移势垒为0.1 eV;然后再沿ab轴方向迁移,迁移势垒为0.21 eV,而沿a轴方向迁移的势垒为0.39 eV.这些势垒值比其他的Li_2MO_2 (M=Co, Ni, Cu)材料中的势垒值小,也比其他Fe基Li离子电池正极材料中的势垒值更低,意味着Li_2FeO_2中的Li离子将有更高的扩散系数,这对Li_2FeO_2作为正极材料具有重要的意义.     

锌掺杂固态电解质材料磷酸钛铝锂的制备及第一性原理研究

高安全性的固体锂离子电池是目前研究的热点之一,固态电解质是研究全固态电池的关键.磷酸钛铝锂固体电解质(LATP)具有良好的发展空间,因此采用高温固相法,制备锌掺杂LATP(LAZTP)固体电解质,通过XRD、SEM分析对比其物象和形貌特征,并对这两种材料压片进行阻抗分析,研究材料的电化学性能.基于密度泛函理论的第一性原理,研究LAZTP的能带结构和态密度与材料电化学性能的关系.结果表明:所掺杂锌的LATP材料,在球磨工艺下,与LATP相比衍射峰尖锐,材料结晶度良好,都为R-3C结构,LAZTP微观尺度下材料颗粒清晰,呈块状,孔隙均匀致密度较好,离子电导率相比较高,为1.9×10^-3S/cm,而制作的LATP的电导率为4.02x10^-4 S/cm,掺杂后的电导率明显高出一个数量级.计算得出的LATP能带带隙为0.163 eV和LAZTP能带带隙为0.05 eV,分态密度中Ti-s、Li-s、Al-s峰值尖锐,变化明显,表明掺杂锌后,材料明显提高了导电率和结构稳定性.     

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.     

稀土掺杂对LiFePO_4性能影响的第一性原理研究

掺杂是提高LiFePO_4体相电子电导率,优化其电化学性能的重要方法之一.稀土元素因具有高的电子电荷、大的离子半径以及强的自极化能力,成为掺杂改性的重要选择.本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了稀土元素(La,Ce,Pr)掺杂的锂离子电池正极材料LiFePO_4的性质.计算结果表明,稀土元素掺杂均不同程度地增加了 LiFePO_4的晶格常数和晶胞体积.在脱锂过程中,稀土掺杂后材料体积变化率明显减小,材料的循环性能提升,但电池能量密度下降.稀土掺杂使LiFePO_4由原来的半导体特性转变为金属特性,增加了材料的电子电导率.力学特性的计算表明稀土显著增加了 LiFePO_4材料的延展性.另外,La和Ce掺杂后的LiFePO_4在Li离子迁移过程中表现出复杂的能垒变化,在远离稀土离子处迁移势垒呈现出不同程度的减小,而在靠近稀土离子处迁移势垒起伏较大.与Ce掺杂相比,La掺杂造成的离子迁移势垒的变化程度更大,表明稀土离子掺杂对体系局域结构产生较大的影响.     

Li1.5Al0.5Ge1.5P3O12/高分子固体电解质表界面结构与分子运动的固体NMR研究

相对于传统锂离子电池,全固态锂电池具有安全性能高、循环寿命长、能量密度高等优点,是目前锂电池研究领域的热点之一．作为全固态锂电池的核心组成部分,固体电解质是实现全固态锂电池高性能的关键材料．本文设计了一种高分子-锂盐-陶瓷的复合物固体电解质．通过多种固体核磁共振（NMR）方法研究了该材料中高分子-陶瓷的界面层结构和界面高分子链段的分子运动．     

固态电解质锂镧锆氧(Li_7La_3Zr_2O_(12))制备及第一性原理研究

固态电解质(SSE)是锂离子电池(LIB)的关键材料.Li_7La_3Zr_2O_(12)(LLZO)固体电解质是全固态锂离子电池开发中的关键部分.采用高温固相法制备了不同烧结温度后的四方Li_7La_3Zr_2O_(12)(t-LLZO)和立方Li_7La_3Zr_2O_(12)(c-LLZO),分析了两种样品的结构性能.800℃下烧结12小时的t-LLZO呈四方相,晶格尺寸为a=b=13.13064?,c=12.66024?,离子电导率为3.42×10~(-8)S·cm~(-1);1000℃下烧结12小时的c-LLZO呈立方相,晶格尺寸为a=b=c=13.03544?,离子电导率为8.48×10~(-5)S·cm~(-1).另基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算了四方相和立方相的LLZO固体电解质材料的能带结构、晶格参数、态密度和键布居.通过理论计算解释了四方相LLZO离子电导率低于立方相LLZO的原因.     

蒙脱石固体电解质的高价离子导电性

用多种化学的、物理的方法,尤其是电性能测量和电化学的方法研究了蒙脱石作为固体电解质的高价离子导电性,揭示了一个非常有希望和实用价值的高价离子导电的固体电解质材料,并对其高价离子在蒙脱石固体电解质中的迁移机理进行了探讨。 关键词：     

ZrNCl薄层中基于固体离子导体场效应管的电场诱导的超导电性

场效应晶体管(FET)可以通过电场可逆调控材料的载流子浓度,是一种控制二维材料系统电学性质的有效方法.最近,作者实验室发明了一种新的场效应晶体管器件,它利用固体离子导体(SIC)作为栅介质,通过电场驱动锂离子进出样品来调控样品的载流子浓度,从而控制样品的物理性质和相变.在本论文中,作者利用这种新型的固体离子导体基场效应管器件(SIC-FET)成功地调控了ZrNCl薄层的电学性质.通过施加电场,将固体锂离子导体中的锂离子插入ZrNCl薄层样品中,实现了样品从绝缘体到超导体的转变,最佳超导电性的中点临界温度约为15.1K.实验结果表明,固体离子导体基场效应管器件具有在层状材料中引入载流子的优异性能,该器件将是寻找新的超导体和其他新奇电子相的有效途径.     

离子液体凝胶聚合物电解质PP13TFSI-LiTFSI-P(VdF-HFP)的电化学性能 (cited: 1)

采用溶液浇铸法将N-甲基-N-丙基哌啶二(三氟甲基磺)亚胺(PP13TFSI)、二(三氟甲基磺)亚胺锂与偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(P(VdF-HFP))混合制备离子液体凝胶聚合物电解质(ILGPEs). 通过扫描电子显微镜观察发现,这种离子液体凝胶聚合物电解质由于液体相的均匀分布而具有疏松的结构. 采用电化学阻抗、计时电流法、线性扫描伏安法测试了电解质的离子电导率、锂离子迁移数和电化学窗口. 室温下离子液体凝胶聚合物电解质的离子电导率和锂离子迁移数分别是0.79 mS/cm和0.71,电化学窗口为0～5.1 Vvs. Li⁺/Li. 电池性能测试表明,这种离子液体凝胶聚合物电解质在Li/LiFePO₄电池中是稳定的,放电容量在30、75和150mA/g倍率下分别为135、117和100 mAh/g,电池经100个循环后容量保持在100%而几乎没有衰减.     

Li电池原材料的穆斯堡尔谱及分析

穆斯堡尔效应的发现与X射线衍射和电子显微技术的发现具有同样重要的意义。它的能量分辨率极高,能够清晰地观察到原子核能级的跃迁。锂离子电池因其高工作电压和高能量密度广泛应用于便携式电子产品、电动工具和电动汽车等领域。电极材料是决定锂离子电池性能的重要因素之一。相对于负极材料,正极材料研究遇到更多的挑战,如高电压窗口、高比容量、良好的倍率性能、循环寿命、价廉和安全性等。但是,随着锂离子电池应用领域的不断拓宽,迫切需要研制新型的电极材料来满足日益增长的应用需求。以FeSO_4·H_2O和LiF为原料,用离子液体EMI-TFSI作反应媒介,300℃反应5 h得到产品。并通过穆斯堡尔谱仪测量并分析样品的成分。     

锂离子电池电极材料的第一性原理研究进展

文章综述了第一性原理计算在锂离子电池电极材料模拟与设计方面的研究进展.电极材料的研究包括电极材料的电子结构和电子导电性的研究,嵌锂电位、锂离子输运特性、嵌锂过程中局部结构弛豫与相变以及材料表面特性研究等方面,第一性原理计算在上述诸方面的研究都取得了一定的进展.这些理论上的研究成果,可以帮助人们加深对材料性能与机理的理解,同时对材料的设计也具有指导意义.     

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.     

尖晶石LiMn2O4及其衍生物的电化学阻抗特性

尖晶石LiMn2O4(以下简称LMO)是锂离子电池正极材料之一，具有价格低廉，资源丰富的特点。锂离子电池的充放电过程实际上是锂离子从正极脱嵌、再嵌入正极的过程。因此Li^ 在正负极材料及电解液中的扩散性能影响着电池的电性能，通过其电化学阻抗谱可得出锂离子的扩散系数及电导率等参数。     

固态离子学及其材料与器件

 固态离子学是一门研究固态中离子运动的现象和技术的新学科.它包括从现象和原子尺度上对晶态、非晶态、有机和无机固体中离子迁移过程的理解,这些材料(称为固态离子学的材料)的特性与其它材料的特性之间的关系,对其一般和专门过程的描述,以及日益增长的许多实际应用.近年来在能量的储存和转换、环境保护领域中的许多实际应用大大加速了这一学科的研究和发展.