大孔高镍LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极材料的制备及其电化学性能研究

本工作以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球组装成的胶晶模板作为铸模, 溶胶-凝胶法辅助获得大孔LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂ (NCM811)正极材料. 结果表明, 利用PMMA作为造孔剂, 形成了由100 nm的颗粒堆积而成的大孔结构, 这种结构有效地提高了材料的倍率性能和循环稳定性. 大孔NCM811在0.1C的首次放电比容量为190.3 mAh∙g^-1. 2C倍率下NCM811纳米颗粒的放电比容量仅为129.3 mAh∙g^-1, 而大孔NCM811的放电比容量为149.8 mAh∙g^-1. 0.5C倍率下循环400次后大孔NCM811的容量保持率为83.02%, 明显高于纳米颗粒材料的38.59%.     

ZrO2包覆高镍LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极材料提高其循环稳定性的作用机理

高镍三元材料作为一种锂离子电池正极材料,因其较高的放电比容量而得到科学界和工业界的广泛关注。研究表明,高镍三元材料的比容量与材料中的Ni含量呈正相关,但Ni含量的增加也会加剧循环过程中的界面副反应,材料表面释氧以及结构转变等问题。本文采用ZrO₂包覆LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂材料,利用X射线衍射证明,在高温处理下ZrO₂包覆物中的Zr⁴⁺会掺杂进LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂材料表面晶格中,使得X射线衍射谱中的(003)衍射峰左移。电化学测试证明在4.3和4.5 V的截止电压下,改性最优的材料在1C循环100周后容量保持率分别从84.89%和75.60%提高到97.61%和81.37%,同时发现循环稳定性的提升主要来自材料表面的Zr⁴⁺掺杂。X射线光电子能谱证明Zr⁴⁺表层掺杂后材料的Ni化合价由Ni3+向Ni²⁺转变,透射电子显微镜观察到Zr⁴⁺的表层掺杂使得材料表面的层状结构发生重构,从而稳定了材料体相结构,提高了材料整体的循环稳定性。     

合成温度对全梯度正极材料LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2的结构和电化学性能影响

通过控制结晶法和浓度梯度进料的方式制备了Ni、Co和Mn三元素组分含量呈全梯度分布的类球形Ni_0.7Co_0.15Mn_0.15（OH）₂前驱体,与LiOH·H₂O均匀混合并焙烧后获得LiNi_0.7Co_0.15Mn_0.15O₂正极材料,系统研究了不同焙烧温度对材料Ni、Co和Mn三元素扩散情况、晶体结构及电化学性能的影响规律。通过能谱仪（EDXS）分析不同焙烧温度下材料颗粒中Ni、Co、Mn三元素的扩散程度。研究结果表明,在800℃下焙烧得到的正极材料梯度分布特征明显且电化学性能最佳,首次放电比容量为186.1 mAh·g^-1（2.8~4.3 V,0.2C）,2C大倍率充放电条件下循环200次后容量保持率为90.1%。这种材料兼具高比容量及良好的循环稳定性,可以用作下一代高能量密度锂离子电池正极材料。     

合成温度对全梯度正极材料LiNi0.7Co0.15O2的结构和电化学性能影响

通过控制结晶法和浓度梯度进料的方式制备了Ni、Co和Mn三元素组分含量呈全梯度分布的类球形Ni_0.7Co_0.15Mn_0.15（OH）₂前驱体,与LiOH·H₂O均匀混合并焙烧后获得LiNi_0.7Co_0.15O₂正极材料,系统研究了不同焙烧温度对材料Ni、Co和Mn三元素扩散情况、晶体结构及电化学性能的影响规律。通过能谱仪（EDXS）分析不同焙烧温度下材料颗粒中Ni、Co、Mn三元素的扩散程度。研究结果表明,在800℃下焙烧得到的正极材料梯度分布特征明显且电化学性能最佳,首次放电比容量为186.1 mAh·g^-1（2.8~4.3 V,0.2C）,2C大倍率充放电条件下循环200次后容量保持率为90.1%。这种材料兼具高比容量及良好的循环稳定性,可以用作下一代高能量密度锂离子电池正极材料。     

锆掺杂以提升LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料的高温电化学性能

为解决LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂正极材料在高温下循环性能差的问题,本文通过固相法对材料进行锆掺杂改性,研究了不同掺杂量对LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂晶体结构和电化学性能的影响。研究表明,当锆掺杂量为1% (x)时,可以降低LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂结构中的Li⁺/Ni²⁺离子混排,有助于材料电化学性能的提高,尤其是高温循环性能。在25 ℃、3.0-4.3 V下, Li(Ni_0.5Co_0.2Mn_0.3)_0.99Zr_0.01O₂在1C循环95次后容量保持率为92.13%,优于未掺杂样品(87.61%)。在55 ℃下, Li(Ni_0.5Co_0.2Mn_0.3)_0.99Zr_0.01O₂在1C循环115次后容量保持率仍有82.96%,远高于未掺杂样品(67.63%)。因此,少量锆掺杂对提升LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂的高温循环性能有积极作用。     

高首效富镍正极材料LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2的合成及电化学性能研究

采用共沉淀-高温固相烧结的方法合成了富镍正极材料LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂(简称NCM622),通过X射线粉末衍射（XRD）/Rietveld精修法、扫描电子显微镜（SEM）及电化学测试,对不同温度下合成材料的结构、形貌、电化学性能进行表征. 结果表明,800℃下,NCM622阳离子混排程度最低(~1.97%),首圈库伦效率高达92.2%,100圈容量保持率为81.4%.     

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.     

LiV3O8在Li2SO4水溶液中的电化学性能

采用低温固相法合成了具有纳米结构的LiV₃O₈材料.扫描电子显微镜（SEM）及透射电子显微镜（TEM）测试显示该材料具有纳米结构.X射线衍射（XRD）表明该材料属于单斜晶系,P2₁Im空间群.并采用循环伏安法（CV）及电化学阻抗谱图测试对该材料在1、2 mol·L^-1Li₂SO₄水溶液及饱和Li₂SO₄水溶液中的电化学行为进行了研究.结果表明,LiV₃O₈在饱和Li₂SO₄水溶液中具有最好的电化学性能.以LiV₃O₈作为负极材料,LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂作为正极材料,饱和Li₂SO₄水溶液作为电解液组成了水性锂离子电池,进行恒流充放电测试,结果表明,在0.5C(1C=300 mA·g^-1)的充放电倍率下,该水性锂离子电池的首次放电比容量为95.2 mAh·g^-1,循环100次后仍具有37.0 mAh·g^-1的放电比容量.     

LiNi0.3Co0.7O2的结构及其锂电池行为的研究

利用XRD、XPS、CV等方法研究了LiNi_0.3Co_0.7O₂的结构及其锂电池行为。结果表明:LiNi_0.3Co_0.7O₂具有六方晶系空间群结构,其晶胞参数a=0.2826nm,c=1.4130nm;其表面存在Li₂O;Li⁺在其中的化学扩散系数为1～7×10^-8cm²·s^-1;其锂电池在4.30～3.00V间放电容量可达120～140mA·h·g^-1,放电机理为Li⁺在其中进行两步嵌入反应。     

阳离子无序和表面化学残留物对层状氧化物阴极初始库仑效率影响的研究

锂层状氧化物LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂（NCM622）是电动汽车高能锂离子电池中最有前途的正极材料之一。然而,目前NCM622的一个问题是其初始库仑效率（ICE）只有约87%,比LiCoO₂或LiFePO₄至少低6%。在本工作中,我们研究了在烧结过程中形成的表面化学残留物（如LiOH和Li₂CO₃）和Li/Ni阳离子混排对ICE的影响。结果表明,当烧结温度从825 ^oC提高到900 ^oC时,样品的ICE从80.80%提高到86.68%,而相应的Li/Ni阳离子混排和表面化学残留物也有所减少。进一步地,我们使用HNO₃溶液洗涤去除825 ^oC烧结后的样品的表面残留物,发现尽管Li/Ni阳离子紊乱有所增加,但ICE提高3.57%。这些结果表明,通过适当的烧结工艺和后处理技术将表面残留量和Li/Ni阳离子混排降至最低是获得高ICE并改善NCM622电化学性能的关键。     

高比容量锂离子电池正极材料LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_(2)的制备及性能北大核心CSCD

以LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_(2)为研究对象,通过共沉淀法制备了不同F物质的量分数(0%、1%、3%、5%)的LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_(2)三元正极材料(NCM),通过对NCM材料的晶格结构、微观形貌、电化学性能进行分析,结果表明:F掺杂后提高了NCM材料的结晶度,降低了阳离子混乱程度,适量的F掺杂有助于减小NCM三元正极材料的尺寸和提高均匀性,F的掺杂还能够降低NCM三元正极材料的极化现象,初始放电比容量随着F的掺杂含量升高呈现出先升高后降低的趋势,循环性能随着F的掺杂得到了提高,F掺杂物质的量分数为3%的NCM三元正极材料初始放电比容量167.2 mA·h/g,容量保持率达到98.5%,阻抗较小,电化学性能最优。     

Synthesis and electrochemical performance of LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 as a concentration-gradient cathode material for lithium batteries

A well-ordered and spherical LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 cathode material was successfully synthesized from Ni and Mn concentration-gradient precursors via co-precipitation. The crystal structure, morphology and electrochemical properties of LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 were characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, energy-dispersive spectroscopy, and charge-discharge tests. The material delivered an initial discharge capacity of 174.3 mAh/g at 180 mA/g （1 C rate） between 2.8 and 4.3 V and more than 93.1% of that was retained after 100 cycles. In addition, it also exhibited excellent rate capability, high cut-off voltage and temperature performance.     

CTAB辅助水热合成高镍三元材料LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2及其高低温性能研究

以醋酸盐为原料, 以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为分散剂, 通过水热合成-高温烧结的方法制备高镍三元正极材料LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂. 结果表明, 适量分散剂CTAB的加入可有效调节材料的颗粒形貌尺寸, 降低锂镍混排, 改善材料的电化学性能. 加入2%(质量分数) CTAB时, 制备的电池材料具有完整有序的层状结构, 且颗粒均匀分散, 具有最佳的循环性能和高低温性能. 该材料在室温及倍率1C下循环100次后, 容量保持率为88.5%. 在?20, 25和55 ℃条件下及倍率0.1C充放电时, 首次放电比容量分别为60.3, 168.5和207.2 mA·h/g.     

高镍正极材料中钴元素的替代方案及其合成工艺优化

高镍三元正极材料LiNi_xMn_yCo_1-x-yO₂ (x > 0.8)因其高能量密度而备受瞩目。在高镍三元正极材料中,Co不但有助于增强层状正极材料结构稳定性,而且能够提高正极材料导电性能,因此被认为是一种非常重要的元素。但是由于目前全球范围内钴矿资源紧缺,在一定程度上限制了含钴正极材料在新能源电动汽车领域的发展应用。基于此,本文将不同的过渡金属离子掺杂到高镍层状材料中形成无钴化正极材料,并进行高镍正极材料无钴化的可行性分析。通过实验对比发现,资源存储量丰富并且价格低廉的Zr在一定程度上可以取代Co元素,得到的正极材料LiNi_0.85Mn_0.1Zr_0.05O₂表现出良好的电化学性能,在0.2C倍率以及2.75–4.3 V的截止电压范围内,其放电比容量为179.9 mAh·g^-1,80周容量保持率为96.52%。     

CoAl2O4包覆LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的电化学性能

通过共沉淀法制得类球形锂离子电池正极材料LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂,并用非水相共沉法对其进行CoAl₂O₄包覆得到LNCMO(x). 采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微术（SEM）和透射电子显微术（TEM）测试材料的结构和观察材料形貌. 结果表明,CoAl₂O₄在材料表面形成8 nm均匀包覆层,未改变主体材料的结构. 电化学性能测试表明,1%（by mass）CoAl₂O₄包覆量的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料（LNCMO(1)）高充电电压（3.0 ~ 4.6 V,150 mA·g^-1）100周期循环放电容量保持率为93.7%（无包覆LNCMO(0)保持率为74.4%）;55 °C高温100周期循环容量保持率为77%（无包覆LNCMO(0)保持率17%）. XRD和电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）测试表明,CoAl₂O₄包覆的LNCMO(x)材料可有效地减缓材料中Mn离子在电解液的溶解,提高材料结构稳定性和热稳定性.     

Electrochemical performance of a nano SnO2-modified LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 cathode material

The nano SnO₂-modified LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂ was successfully prepared by a carrier transfer method. The pristine and modified samples were characterized with various techniques such as XRD, SEM, XPS and EDS. The results showed that the SnO₂ particles did not enter the crystal structure of LiNi1/3Co1/ 3Mn1/3O₂, many nano SnO₂ particles were uniformly covered on the surface of LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂ and the modified thin layer could inhibit the dissolution of transition metal oxides. The electrochemical tests indicated that the existence of nano SnO₂ could improve the discharge capacity and rate capability owing to the decreased interfacial polarization. The cycling stability was remarkably improved at room temperature and 55 ℃. The XRD patterns of the fresh NCM electrode and after 50 cycles proved that the structural change of NCM was not so effective on the capacity fade.     

氨蒸发诱导法制备纳米结构LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_2及其作为高功率型锂离子电池正极材料的性能

采用氨蒸发诱导法成功制备出纳米结构LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料,借助X射线衍射(XRD)分析、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、高分辨率透射电镜(HRTEM)、能量分散谱(EDS)和比表面测试等表征手段及恒电流充放电测试研究了其晶体结构、微观形貌和电化学性能.研究表明该方法制备出的材料具有良好的α-NaFeO2层状结构,阳离子混排程度低.纳米片交错堆积而成核桃仁状形貌,片与片之间形成许多纳米孔,而且纳米片的侧面属于{010}活性面,能够提供较多的锂离子的脱嵌通道.在室温下及3.0-4.6 V充放电范围内,该材料在电流密度为0.5C、1C、3C、5C和10C时放电比容量分别为172.90、153.95、147.09、142.16和131.23mAh?g-1.说明其具有优异的电化学性能,非常有潜力用于动力汽车等高功率密度锂离子电池中.