LixNi0.5Co0.5O2的态密度计算及电化学性能研究

>为获得综合性能更好的锂离子二次电池正极材料, 分析了Co掺杂对Li_xNiO₂电化学性能的影响. 采用密度泛函DFT理论对Li_xNiO₂和Li_xNi_0.5Co_0.5O₂的平均放电电压和态密度进行了计算. 同时, 用共沉淀法制备了Li_xNiO₂和Li_xNi_0.5Co_0.5O₂锂离子二次电池正极材料, 并对其进行了XRD结构分析和恒流充放电测试. 实验和计算结果表明: 随锂离子嵌入正极(电池放电), 电池的电压逐渐降低, 材料的态密度峰向低能量方向移动; 与Li_xNiO₂相比, Li_xNi_0.5Co_0.5O₂的电压平台相对较高(当0.25≤x≤0.5), 而且在Li^＋嵌/脱时, Li_xNi_0.5Co_0.5O₂的结构变化相对较小; Co离子的掺入, 减小了NiO₆八面体的畸变度, 使材料的电化学稳定性得以提高. 在钴掺杂镍酸锂体系中, NiO₆和CoO₆具有相互的稳定作用.     

LiNi0.5Co0.5O2体系的结构稳定化作用和独立充放电机理

为了解释锂离子二次电池正极材料LiNi_0.5Co_0.5O₂具有的优良充放电循环性能和高比容量特征，采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法对LiNi_0.5Co_0.5O₂和LiNiO₂的相关特性进行了研究。结果表明LiNi_0.5Co_0.5O₂的结构稳定性优于LiNiO₂的原因在于充放电过程中体系中Ni、Co离子交替存在的价电子构型t_2g⁶e_g⁰。依据LiNi_0.5Co_0.5O₂体系中Ni离子和Co离子相互独立的电极反应提出了适用于LiNi_xCo_1-xO₂(0≤x≤1)体系的独立充放电机理(0.2C、3.0～4.2 V vs Li⁺/Li)，并得到实验的证实。     

层状正极材料LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2的结构及电化学行为

采用溶胶-凝胶方法制备了正极材料LiNi_0.5Co_0.25Mn_0.25O₂。XRD、XPS测试结果表明：LiNi_0.5Co_0.25Mn_0.25O₂中阳离子排列有序度较高，层状结构明显；Co、Mn分别以+3、+4价形式存在，Ni以+2、+3价形式存在，且Ni²⁺与Ni³⁺的含量之比约为1∶1。SEM测试结果表明：正极材料LiNi_0.5Co_0.25Mn_0.25O₂结晶粒径较均匀。充放电测试结果表明：与LiCoO₂相比，尽管LiNi_0.5Co_0.25Mn_0.25O₂的放电电压平台较低，但放电容量较高；在恒流充电模式下，当充电截止电压由4.35 V升高至4.75 V时，首次放电容量由179 mAh·g^-1增至201 mAh·g^-1，50次循环后，容量保持率由74.95%增至78.48%；在先恒流再恒压的充电模式下，电池首次放电容量为212 mAh·g^-1，50次循环后，容量保持率提高到87.71%。循环伏安测试表明：在2.80～4.80 V扫描范围内，该正极材料发生Ni²⁺/Ni³⁺，Co³⁺/Co⁴⁺两对电化学反应。EIS测试表明：随着充电截止电压的增大，该正极材料的传荷电阻变小。     

钴掺杂镍酸锂的密度泛函计算及电化学性能

LiNiO₂ and LiNi_0.5Co_0.5O₂ cathodes for lithium-ion batteries were synthesized with co-precipitation method and their electrochemical property was characterized by Galvanostatic cycling. Meanwhile, plane-wave pseudopotential method base on density functional theory was used to calculate average cell voltage and the electronic structure of LiNiO₂ and LiNi_0.5Co_0.5O₂. The experimental and computational results showed that the average voltage of the cell decreased as Li-ion intercalated to the host cathode (discharge); The potential of Li_xNi_0.5Co_0.5O₂ was higher than that of Li_xNiO₂ (when 0.25≤x≤0.5). The calculations also indicated that the distortion of the NiO₆ octahedron in Li_xNiO₂ was decreased by Co-doped. During the Li-ion intercalates to the host cathode, the micro-structures of NiO₆ and CoO₆ in the Li_xNi_0.5Co_0.5O₂ were mutually stabilized, the Jahn-Teller effect was weakened and the electrochemical properties of the materials were enhanced.     

xLi2MnO3-(1-x)LiNi0.7Co0.3O2的低温燃烧合成及电化学性能研究

采用低温燃烧法合成了锂离子电池正极材料xLi₂MnO₃-(1-x)LiNi_0.7Co_0.3O₂,对合成产物的结构、形貌和电化学性能进行了系统的研究, 通过单因素试验对合成条件和材料的组成进行了优化。结果表明:采用低温燃烧法合成的富锂层状正极材料具有α-NaFeO₂型层状结构、球状形貌和良好的电化学性能;其最佳合成条件为:回火温度850℃, 回火时间20 h;Li₂MnO₃的最佳配比为x=0.7.在此条件下合成的0.7Li₂MnO₃-0.3LiNi_0.7Co_0.3O₂,最高放电比容量达到263.1 mAh·g^-1,并具有良好的循环性能和倍率性能。     

碳包覆LiFe0.5Co0.5PO4固溶体正极材料的制备及其电化学性能

分别以四水磷酸铁（FePO₄·4H₂O）和二水草酸亚铁（FeC₂O₄·2H₂O）为铁源,采用简单便捷的流变相法制备了碳包覆LiFe_0.5Co_0.5PO₄固溶体材料（LiFe_0.5Co_0.5PO₄/C,简称为LFCP/C）。采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、恒流充放电等测试手段对复合材料的物相、形貌结构和电化学性能进行了表征和测试。结果表明,2种铁源得到的材料均为橄榄石晶型结构且结晶度良好,二者在颗粒尺寸分布、碳包覆效果和电化学性能方面具有显著的差别。用作锂离子电池正极材料时,以FeC₂O₄·2H₂O为原料得到的LFCP/C具有更优异的电性能：在2.5~5.0 V电压范围内,0.1C倍率下（1C=150 mA·g^-1）,放电比容量为137.5 mAh·g^-1,在10C仍具有57.6 mAh·g^-1的放电比容量;0.5C循环100次后容量仍保持78.1%。该样品更佳的电化学性能主要得益于其更小的平均颗粒尺寸,更高的比表面积和理想的碳包覆效果。     

钙钛矿型LaxSr1－xNi1－yCoyO3光电催化活性研究

用甘氨酸-硝酸盐燃烧合成法, 制备La_xSr_1－xNi_1－yCo_yO₃复合氧化物的陶瓷粉末, 对钙钛矿氧化物进行了XRD结构分析. 在通氧或不通氧下测试氧还原和氧析出的循环伏安曲线. 结果表明: 该氧电极具有双功能催化特性, 但不完全可逆. 利用汞灯作为激发光源, 进行几种水溶性染料和五种混合染料光解实验, 利用紫外-可见、红外以及人工神经网络光度法研究La_xSr_1－xNi_1－yCo_yO₃的催化性能. 结果表明: La_xSr_1－xNi_1－yCo_yO₃ (x＝0.7, 0.9, 1; y＝0.3, 0.75)复合氧化物都具有较强光催化特性; La_xSr_1－xNi_1－yCo_yO₃的光催化活性高于La_xSr_1－xNiO₃, 这与B位离子(Ni^2—, Co^2－)的电子构型有关; Co^2＋的加入可使La_xSr_1－xNiO₃的光催化活性有所提高.     

新型中温固体氧化物燃料电池阴极材料Fe掺杂Sm0.5Sr0.5CoO3性能研究

本文系统研究了新型中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)阴极材料Sm_0.5Sr_0.5Co_1-xFe_xO_3－δ(SSCF)的晶体结构、热膨胀系数、导电率及电化学性能。固相合成的Sm_0.5Sr_0.5Co_1-xFe_xO_3－δ化合物均为单相材料，随着掺Fe量的不同，SSCF的晶体结构发生变化，在0≤x≤0.4时，SSCF为正交晶系钙钛矿结构，在0.5≤x≤0.9时，SSCF为立方晶系钙钛矿结构。Fe掺杂可以显著的改善Sm_0.5Sr_0.5CoO₃的热膨胀系数，随着Fe含量的增加，热膨胀系数减小。在800℃下，SSCF导电率均大于100 S·cm^-1。随着Fe含量的增加，极化电阻增大；含量x=0.4时，极化电阻达到最大值；之后，随Fe含量的增加，极化电阻减小，在700～800 ℃时，Sm_0.5Sr_0.5Co_0.2Fe_0.8O_3－δ表现出了良好的氧催化活性。     

溶胶-凝胶法合成Li1-xNaxMn2O4及其作为水系锂离子电池正极材料的电化学性能

用溶胶凝胶法合成了Na⁺离子掺杂的Li_1-xNa_xMn₂O₄(x=0,0.01,0.03,0.05)。X射线衍射图表明Na⁺取代Li⁺进入Li_1-xNa_x Mn₂O₄晶格中,扫描电镜图看出产物是粒径为100~300 nm的颗粒。恒流充放电测试结果表明,Li_0.97Na_0.03Mn₂O₄在2C倍率下循环100圈后放电容量保持率比未掺杂的LiMn₂O₄从51.2%提升到84.1%。循环伏安测试表明Na⁺离子掺杂降低了材料极化且增大了锂离子扩散系数。10C倍率下Li_0.97Na_0.03Mn₂O₄仍有79.0 mAh·g^-1的放电容量,高于未掺杂样品的52.1 mAh·g^-1。Na⁺离子掺杂可以稳定材料结构并提高锂离子扩散系数,从而提高LiMn₂O₄的电化学性能,是一种可行的改性方法。     

锂离子电池正极材料Li1.2Mn0.54-xNi0.13Co0.13ZrxO2的制备及电化学性能

为了改善富锂锰基正极材料Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂ 的循环性能,采用燃烧法合成了正极材料Li_1.2Mn_0.54-xNi_0.13Co_0.13Zr_xO₂（x=0.00,0.01,0.02,0.03,0.06）. 通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）对其结构与形貌进行了表征,利用恒电流充放电测试,循环伏安（CV）及电化学交流阻抗谱（EIS）技术对其电化学性能进行测试. 结果表明,Li_1.2Mn_0.54-xNi_0.13Co_0.13Zr_xO₂（x=0.00,0.01,0.02,0.03,0.06）正极材料均具有α-NaFeO₂型层状结构;在室温,2.0-4.8 V电压范围,以0.1C和1.0C（充放电电流以1.0C=180 mA·g^-1计算）倍率充放电进行测试,样品Li_1.2Mn_0.52Ni_0.13Co_0.13Zr_0.02O₂的首次放电比容量分别为280.3 和206.4 mAh·g^-1. 其中,在1.0C倍率下,100次循环后容量保持率由原来的73.2%提高到88.9%;以5.0C倍率充放电进行测试,经50次循环后,掺杂正极材料的放电比容量为76.5 mAh·g^-1,而未掺杂材料仅有15.0 mAh·g^-1. 在50、25 和-10 ℃,2.0C倍率条件下,掺杂正极材料的电化学性能均得到有效改善,其中,在- 10℃ 经过50 次循环后正极材料Li_1.2Mn_0.52Ni_0.13Co_0.13Zr_0.02O₂比未掺杂的正极材料相比,其放电比容量提高了61.1%.     

锂离子二次电池正极材料LiAlyCo0.2Ni0.8-yO2的合成及其电化学性能研究

用固相反应法合成了锂离子二次电池正极材料LiAl_yCo_0.2Ni_0.8-yO₂(y=0,0.001,0.005,0.01,0.03),采用XRD、SEM、ICP-AES、差分计时电位法和充放电循环等对合成的材料的物理化学性质以及电化学性能进行了测试分析。结果表明所合成的产物均为α-NaFeO₂型的层状结构,产物无杂质相,产物的表面形貌规则,颗粒大小均匀。实验结果证明经过Al掺杂后的材料的放电电压平台有所提高,容量也有所上升。并且随着Al含量的增加,材料在电化学充放电过程的结构稳定性在上升,因此电化学稳定性得到了提高。实验结果还表明低含量Al元素的掺杂既提高了LiNi_0.8Co_0.2O₂的放电容量,又提高了其循环可逆性,使材料的容量保持率显著提高。     

前驱体Ni(OH)2对LiCo0.3Ni0.7O2正极材料的影响研究

研究了两种不同前驱体Ni(OH)₂对LiCo_0.3Ni_0.7O₂锂离子电池正极材料的结构与电化学性能的影响，并用XRD、SEM及电性能测试考察了材料的结构、形貌与电化学性能。结果表明，前驱体Ni(OH)₂的形貌、结晶形态对LiCo_0.3Ni_0.7O₂正极材料的性能有极大的影响。与目前镍酸锂合成需高密度球形镍前驱体Ni(OH)₂认识不同，本文发现呈枝晶网络状结构、表面蓬松、比表面积高和振实密度低的前驱体Ni(OH)₂具有较高的化学活性，可有效抑制产物LiCo_0.3Ni_0.7O₂正极材料中阳离子混排产物的生成。由其制备的目标正极材料LiCo_0.3Ni_0.7O₂显示出较优的电化学性能，首次放电容量为175 mAh·g^-1，首次放电效率为93.9%，40次循环容量保持率为94.8%，显示较好的循环稳定性。     

锂离子电池正极材料LiNi0.75-xCoxMn0.25O2的合成及电化学性能研究

以LiOH·H₂O、Ni(OAc)₂·4H₂O、Co(OAc)₂·4H₂O和MnO₂为原料，在水热反应釜中预处理，然后进行高温固相反应，合成了一系列锂镍钴锰氧化物LiNi_0.75-xCo_xMn_0.25O₂(x=0.05,0.10,0.15,0.20,0.25)。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜（SEM）和电化学性能测试对所得样品的结构、形貌、粒径及电化学性能进行了表征。结果表明，当x=0.20时，所合成的正极材料具有很好的α-NaFeO₂型层状晶体结构，晶胞参数a=0.286 1 nm，c=1.416 4 nm， V=0.100 4 nm³，以50 mA·g^-1的电流密度在3～4.3 V(vs Li/Li⁺)充放电时，首次放电比容量达172.5 mAh·g^-1，首次放电效率高达90.9%，30个循环后其放电比容量依然保持在161.1 mAh·g^-1。     

层状O2结构锂锰氧化物Li0.60[MgxCoyMn1-x-y]O2的制备及结构表征

本文采用离子交换法分别制备了双复合锂锰氧化物Li_0.60[Mg_xMn_1-x]O₂(0.05 ≤ x ≤ 0.15)和三复合锂锰氧化物Li_0.60[Mg_xCo_yMn_1-x-y]O₂(x=0.05，0.05 ≤      

流变相法合成LiNi0.85Co0.15O2的结构与电化学性能

以一种新型的软化学方法——流变相法, 成功地合成了锂离子电池正极材料LiNi_0.85Co_0.15O₂. 将在600～850 ℃氧气氛下处理6 h后得到的LiNi_1－yCo_yO₂ (y＝0.10, 0.15, 0.20, 0.25), 进行X射线粉末衍射(XRD)与电化学测试. 测试结果表明, 流变相前体经过800 ℃烧结后合成的LiNi_0.85Co_0.15O₂晶胞参数a＝0.2866 nm, c＝1.4193 nm及晶胞体积V＝0.1010 nm³, 以0.1 C倍率在3.0～4.3 V (vs. Li^＋/Li)放电时, 首次放电容量可以达到198.2 mAh/g, 20次循环后, 其放电容量仍在174 mAh/g以上.     

离子交换法制备层状LixNi0.3Mn0.7O2正极材料及其离子交换规律的研究

通过共沉淀法高温固相反应在空气气氛中合成出具有P2型结构特征的碱青铜前驱体Na_0.66Ni_0.3Mn_0.7O₂，研究了在4种不同离子交换条件下进行离子交换反应得到目标正极材料Li_xNi_0.3Mn_0.7O₂的离子交换规律，并用XRD、SEM、粒度分析和电性能测试考察了目标正极材料及其前驱体的结构、形貌和电化学性能。结果表明，以熔融LiNO₃为介质于300 ℃离子交换4h反应进行得最为完全，离子交换率达98 %，且目标正极材料具有较完善的O2型层状结构，在2.6～2.9 V存在唯一的充放电平台，循环过程中未发现向尖晶石相转变；而离子交换时间过长，目标正极材料将出现尖晶石相而影响其放电容量和循环稳定性。     

核壳结构的Co3O4@δ-MnO2/Pt作为锂氧电池高效催化正极

通过简易、可控的水热方法在泡沫镍基体上直接生长了核壳结构的阵列型Co₃O₄@δ-MnO₂/Pt正极。阵列电极有利于电极的润湿、氧气的传输和Li₂O₂的负载。Co₃O₄@δ-MnO₂/Pt正极对氧还原和氧析出反应具有高的催化性能,可促使Li₂O₂依附Co₃O₄@δ-MnO₂/Pt阵列生长,从而保持阵列结构。该生长行为有利于Li₂O₂在充电时分解。以Co₃O₄@δ-MnO₂/Pt为催化正极的锂氧电池显示出高的容量（在电流密度100 mA·g^-1时容量为2 480 mAh·g^-1）,以及长的循环寿命（容量限定在500 mAh·g^-1时,在200 mA·g^-1电流密度下,可循环65次）,该性能超过了使用Co₃O₄或Co₃O₄@δ-MnO₂催化剂的电池。     

球磨辅助高温固相法制备Li1.0Na0.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2正极材料及其性能

以乙酸盐(乙酸锂、乙酸钠、乙酸钴、乙酸镍、乙酸锰等)为原材料,采用球磨辅助高温固相法制备Li_1.0Na_0.2Ni_0.13Co_0.13Mn_0.54O₂正极材料。借助XRD、SEM等表征材料的结构和形貌,利用循环伏安、恒流充放电、交流阻抗等方法研究材料的电化学性能。结果表明,钠的掺杂导致颗粒表面光滑度降低,形成Na_0.77MnO_2.05新相。0.05C活化过程中,掺钠样品和未掺钠样品首次放电比容量分别为258.4 mAh·g^-1和215.8 mAh·g^-1,库伦效率分别为75.2%和72.8%;2C放电比容量分别为116.3 mAh·g^-1和106.2 mAh·g^-1。研究发现,掺钠可减小首次充放电过程的不可逆容量,提高容量保持率;改善倍率性能与容量恢复特性;降低SEI膜阻抗和电荷转移阻抗;掺钠后样品首次循环就可以基本完成Li₂MnO₃组分向稳定结构的转化,而未掺杂的样品需要两次循环才能逐步完成该过程;XPS结果表明,掺钠样品中Ni²⁺、Co³⁺、Mn⁴⁺所占比例明显提高,改善了样品的稳定性和电化学性能;循环200次后的XRD结果表明掺钠与未掺钠材料在脱嵌锂反应中的相变化过程基本一致,良好有序的层状结构遭到破坏是循环过程中容量衰减的主要原因。     

以α型氢氧化物前驱体制备LiNi0.8Co0.15Al0.05O2及其电化学性能

本文采用球形Al/Co部分取代α型Ni(OH)₂为前驱体成功制备了锂离子电池正极材料LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂。首先采用氢氧化钠与碳酸钠为沉淀剂合成出Al/Co部分取代α型Ni(OH)₂,然后将之与LiOH·H₂O混合,最后在氧气气氛中不同温度下热处理8 h,即可得到球形LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂材料。X射线衍射结果表明,LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂材料为α-NaFeO₂相。扫描电镜结果表明,材料颗粒形貌为球形。热重分析结果表明合成LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂的主反应温度在700～750 ℃之间。振实密度测试结果表明, 750 ℃下制备的LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂材料可达2.2 g·cm^-3。恒流充放电结果表明,该材料在0.5 mA·cm^-2电流密度下,在3.0～4.3 V间的首次充电容量可达210.3 mAh·g^-1,首次放电容量为179.7 mAh·g^-1,充放电效率为85.4%。与采用以β-Ni_0.85Co_0.15(OH)₂为前驱体合成的LiNi_0.85Co_0.15O₂和Al掺杂的LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂相比,尽管其首次放电容量与放电效率都有所降低,但循环性能有所提高,50周期后容量仍为初始容量的89.5％。研究表明,以球形Al/Co部分取代α型Ni(OH)₂作为前驱体为球形氧化镍钴铝锂材料的制备提供了一条新的途径。