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%。     

锂离子电池高镍正极材料掺铝的作用及掺铝方法的研究

为了探究铝对高镍层状氧化物在结构、形貌及性能方面的影响,本文采用两种不同的方式掺铝以制备NCA正极材料 （LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂）：一是固相法即将共沉淀合成的NC前驱体（Ni_0.84Co_0.16(OH)₂）在混锂烧结过程混入铝源（纳米Al₂O₃或Al(NO₃)₃）;二是共沉淀法即直接在合成前驱体过程中混入铝源（Al₂(SO₄)₃或NaAlO₂）即合成NCA前驱体（Ni_0.8Co_0.15Al_0.05(OH)_2.05）后再混锂烧结. 结果表明,掺铝能够降低阳离子混排程度、维持层状结构的稳定性,改善材料在充放电循环过程的放电电压及中值电压大幅下降的情况,提高其循环性能. 其中以NaAlO₂为铝源合成NCA前驱体所制备的NCA材料性能最优：在3.0 ~ 4.3 V充放电区间,0.1C倍率下首圈放电比容量达198 mAh·g^-1,首次库仑效率可达94.6%,1C倍率下循环200圈后容量保持率达70%.     

富锂三元层状正极材料的研究进展

富锂三元层状正极材料(xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂(0<x<1,M=Mn,Ni,Co))因其远高于其它正极材料的放电比容量而被视为下一代锂离子电池正极材料的最佳选择之一,是未来锂离子电池研究和发展的重点。 但由于其循环性能差、库伦效率低等缺陷,富锂正极材料迟迟不能实现商业化生产。 本文将介绍近几年国内外富锂三元层状正极材料的最新研究进展,主要包括富锂三元层状正极材料的组成、制备技术、结构和性能研究以及包覆与掺杂等改性方面的研究进展,同时对富锂层状正极材料未来的发展趋势和前景作了展望。     

高镍三元正极材料的表面包覆策略

锂离子电池(LIBs)因具有更高的重量/体积能量密度、 更长的使用寿命、 更低的自放电率等优点而逐渐被广泛应用. 相比于已经广泛使用的钴酸锂和磷酸铁锂等正极材料, 高镍三元正极材料Li[Ni_1-x-yCo_xMn_y]O₂(NCM)以其高电压和高容量等优点, 逐渐成为下一代高能锂离子电池的首选正极材料之一. 尽管高镍NCM正极材料具有上述优点, 但在进一步的实际应用前还需解决其循环稳定性、 倍率性能和安全性等问题, 这些问题主要源于NCM材料本身的晶体结构不稳定、 正极-电解液间界面副反应及高界面电阻等. 针对这些问题, 目前对高镍NCM正极电化学性能优化的大量研究都与电极-电解液界面有关, 如何通过改善界面稳定性、 增加离子在固液界面的迁移率、 抑制界面副反应、 提高正极材料的稳定性进而改善电池性能成为了关注焦点. 本文总结了目前对于其电化学性能衰减的机理解释, 分类概括了包括电化学惰性包覆锂、 残积物清除剂包覆和锂离子良导体包覆等对于高镍NCM正极材料的颗粒表面包覆策略, 简述了一些新兴的包覆策略, 并对高镍NCM正极材料的发展方向和前景提出了展望.     

NixCo1-xS2的水热法制备及热电池放电性能

以氯化镍、 硫酸钴、 硫代硫酸钠为反应物, 通过水热法合成系列Ni_xCo_1-xS₂(x=0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1.0)粉体材料; 采用X射线衍射光谱仪(XRD)、 扫描电子显微镜(SEM)、 激光粒度分布仪和差热分析仪(DTA)等对材料进行表征; 采用粉末压片工艺将材料与锂硅合金和LiCl-KCl(MgO)熔盐电解质装配成单体电池, 考察了Ni_xCo_1-xS₂正极材料中镍、 钴的含量对其放电性能的影响. 结果表明, 当x=0.3时, Ni_xCo_1-xS₂正极材料在100 mA/cm²恒流放电时, 单体电池放电电压可以达到1.899 V, 截止电压为1.5 V时比容量为276.5 mA·h/g, 放电过程中单体电池内阻较低, 放电性能最好.     

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。     

铈基与钴基Co3O4-CeO2氧载体上甲烷化学链转化特性: 产物选择性控制

采用水热法制备了Co₃O₄/CeO₂(x)[x为钴铈原子摩尔比n(Co):n(Ce)=6:49:1]和Ce_1-yCo_yO_2-δ(y=0.10.4)2个系列复合氧化物, 并表征了材料的物理化学性质, 考察了这些氧化物作为氧载体参与甲烷化学链转化(化学链燃烧和化学链部分氧化)的反应性能. 结果表明, 2类复合氧化物的甲烷反应活性均明显优于单一氧化物CeO₂或Co₃O₄, 但2类氧载体上的甲烷反应产物的选择性具有明显差异. Ce_1-yCo_yO_2-δ氧载体形成了Ce-Co-O固溶体, 储氧能力明显增强, 体相晶格氧迁移速率与甲烷活化速率匹配较好, 甲烷反应产物以CO和H₂的合成气为主, 有利于甲烷的化学链部分氧化. Co₃O₄/CeO₂(x)氧载体中CeO₂与Co₃O₄之间的相互作用改善了材料的储氧能力和氧化活性, 其与甲烷反应时主要生成CO₂, 有利于甲烷化学链燃烧. 连续性化学链循环实验表明, 2类氧载体均具有较好的再生性能和循环稳定性.     

Li1+δNi1-xCoxO2-yFy的合成与电化学性能研究

采用固相反应法在空气气氛下合成了同时掺杂Co阳离子和F阴离子的镍系正极材料Li_1+δNi_1-xCo_xO_2-yF_y(0≤δ≤0.2, 0≤x≤0.5, 0≤y≤0.1),考察了不同来源的镍源为原料对目标材料性能的影响,并采用XRD, SEM, TEM, BET,激光粒度分布,电化学性能测试等手段对该材料进行了表征.结果表明,在正极材料LiNiO₂中同时掺杂Co阳离子和F阴离子后合成的Li_1+δNi_1-xCo_xO_2-yF_y镍系正极材料具有完整的层状结构、均一的表面形貌、较好的粒径分布和良好的电化学性能.在20～25℃,充放电电流为0.15～0.25 mA,截止电压为4.25～2.70 V,充放电速率为0.2～0.5 C,电流密度为0.2～0.5 mA/cm²条件下,LiNi_0.8Co_0.2O_1.95F_0.05的首次充放电容量分别达到165.70 mAh/g和146.10 mAh/g,而且循环稳定性能良好,在恒流充放电循环50次后,其可逆放电容量大于140 mAh/g.这主要归因于具有较高电负性的F阴离子的掺入改善了正极材料的结够稳定性和Co与F离子的协同作用.该正极材料初步显示了实际应用的可能性.     

镍系复合氧化物Li_aNi_(0.78)Co_(0.2)Cd_(0.02)O_2的合成及电化学性能

以LiOH·H2O,含镉球状Ni(OH)2和Co2O3为原料,采用改进固相反应法合成镍系复合氧化物LiaNi0.78Co0.2Cd0.02O2锂离子电池正极材料,并通过ICP＿AES,XRD,SEM,TEM及电化学性能测试对该材料进行表征.实验表明,由Co和Cd部分取代Ni元素的复合正极材料LiaNi0.78Co0.2Cd0.02O2仍具有较完好的层状结构,表面分布均匀,颗粒粒径分布窄,且电化学性能稳定.常温下具有较高的可逆容量和优异的循环稳定性,其可逆容量最高达157.8mAh/g,循环50次后容量仍保持138.3mAh/g左右.     

铝掺杂及钨酸锂表面包覆双效提升富锂锰基正极材料的循环稳定性

采用溶胶-凝胶法合成Al掺杂富锂锰基Li_1.2Mn_0.54-xAl_xNi_0.13Co_0.13O₂（x=0、0.03）锂离子电池正极材料,之后采用一步液相法制备Li₂WO₄包覆层,系统地研究了Al掺杂和Li₂WO₄包覆双效改性对富锂锰基正极材料电化学性能的影响.结果表明,Al掺杂后明显提升富锂锰基正极材料的循环稳定性,包覆层Li₂WO₄明显改善其倍率性能和放电平台电压衰减问题.Li₂WO₄包覆量为5% Li_1.2Mn_0.51Al_0.03Ni_0.13Co_0.13O₂正极材料在2.0~4.8 V充放电电压区间及1000 mA·g^-1电流密度下比容量仍高达110 mAh·g^-1左右,同时在100 mA·g^-1的电流密度下循环300次容量保持率为78%,而且循环过程中放电平台电压衰减也明显减缓.该工作为解决锂离子电池富锂锰基正极材料循环稳定性和平台电压衰减提供了新的思路.     

荧光粉Ba5-3x/2B4O11∶xEu3+的制备及发光性能

采用高温固相烧结法成功制备了Ba_5-3x/2B₄O₁₁∶xEu³⁺(x=0.02~0.22)荧光粉,利用XRD和SEM等对荧光粉进行了结构和形貌表征。 在激发波长为393 nm的条件下,发射峰(596、621、657和706 nm)与Eu³⁺的⁵D₀-⁷F_J(J=1,2,3,4)电子跃迁相对应,其中621 nm最强发射峰由Eu³⁺离子⁵D₀→⁷F₂电偶极跃迁造成。 文章还研究了Eu³⁺掺杂浓度对Ba_5-3x/2B₄O₁₁∶xEu³⁺发光性能的影响,结果表明,荧光粉的发光强度随着Eu³⁺掺杂量的增加呈现先增大后减小的趋势,Eu³⁺最佳掺杂量为0.16。     

Synthesis and physical chemical properties of Ca-substituted LaTiO2N

Oxynitrides with the general formula La_1−xCa_xTiO_2+xN_1−x (x = 0, 0.3, 0.5, 0.7, 1.0) were synthesized by thermal ammonolysis of oxide precursors produced with a soft chemistry method. The crystallographic structure, optical properties and the thermal stability of the compounds were studied with X-ray diffraction, UV–vis spectroscopy and thermal analysis.

All materials crystallize in perovskite-type pseudo-cubic unit cell. It was found that the lattice parameter decreases with increasing Ca content, while the optical band gap width increases with increasing x. Thermal reoxidation studies of the synthesized materials reveal the formation of nitrogen rich intermediates. The decomposition rate of the intermediates was correlated with the structure of the final products. TEM studies show a preferred insertion direction of the nitrogen into the crystal lattice of the starting oxides. Ammonolysis with flux significantly changed the microstructure of the obtained oxynitrides.     

球形表面富锰MnxCo3−xO4−ƞ尖晶石型催化剂选择性催化还原NOx研究

采用共沉淀法制备了高比表面积的Mn_xCo_3−xO₄球形催化剂,研究了NH₃选择性催化还原NO_x性能。Mn-Co金属氧化物具有尖晶石结构,随着Co含量的增加,晶体结构由四方相转变为立方相。高浓度的表面活性氧物种和变价元素的强有效电子转移(Co³⁺ + Mn³⁺ ↔ Co²⁺ + Mn⁴⁺)有利于提高Mn_xCo_3−xO₄ (x = 1.0、1.5、2.0)尖晶型石催化剂的氧化还原能力,催化剂表面的Mn富集作用形成了氧缺陷结构和丰富的表面活性位点,进一步促进SCR脱硝反应,呈现出优异的催化性能。Co_tet(CoMn)_octO₄晶体结构中,Mn离子(Mn³⁺和Mn⁴⁺,以三价锰为主)和部分Co离子被配置到八面体中心,这些物种作为活性位点存在着较强的电子转移交互作用,该构型对促进低温脱硝活性和保护活性位点耐受SO₂毒害具有重要的意义。Mn-Co尖晶石表面的NH₃-SCR脱硝反应过程主要遵循Eley-Rideal反应机理,即吸附态NH₃与气态NO (或NO₂)的反应路径。随着反应温度的增加,反应生成的NH₄NO₃中间体很可能转化为NH₄NO₂物种,进而分解为N₂,提高了催化剂的氮气选择性。     

Ni掺杂对Ni/MgO体系中电荷分配影响

采用密度泛函理论(DFT)计算方法,研究了载体Ni掺杂对Ni/MgO催化剂的电子结构及其对CH_4/CO_2重整反应的影响。结果显示,随着载体Ni:Mg比的增加,CH_4解离吸附和CH_x氧化过程的反应能垒均会随之升高,CH也更容易产生热解C,从而导致催化剂的活性和稳定性的下降。通过分析重整过程的Hirshfeld电荷分配,发现金属载体之间电子转移的方向会随着载体中Ni含量的上升由载体向Ni金属转移变为由Ni金属向载体转移。当Ni金属富电子时,反应物活化时电子的转移主要发生在表层Ni原子与吸附物种之间,参与氧化的CH_x物种为CH_2;当Ni金属缺电子时,反应物活化时Ni簇的电子结构基本保持稳定,电子主要在载体表层的Ni原子与反应物之间转移,CH是主要参与氧化的CH_x物种。     

Na掺杂Li2-xNaxMnSiO4/C正极材料的微波辅助合成与电化学性能

采用溶胶-凝胶法并辅以微波热处理合成了Na掺杂改性的Li_2-xNa_xMnSiO₄/C(x=0, 0.05, 0.09, 0.13)复合正极材料. 利用X射线衍射(XRD)、 扫描电子显微镜(SEM)、 恒电流充放电测试、 循环伏安(CV)和交流阻抗(EIS)测试等对材料进行了表征. 结果表明, 经微波辐射后得到的电极材料具有Pmn2₁型空间结构, 其碳层分布均匀, 粒径细小均匀, 约为15~30 nm. 在微波辅助原位碳包覆和Na掺杂共同作用下, 复合材料的电荷转移电阻明显降低, Li⁺扩散速率增大, 展现出优良的电化学性能. 在0.1C倍率下Li_1.91Na_0.09MnSiO₄/C样品首次放电比容量为211 mA∙h/g, 50次循环后仍保持80 mA∙h/g的可逆容量; 0.5C和2.0C倍率下的放电比容量分别为106和53 mA∙h/g, 大电流下的可逆容量明显提高.     

Cu2-MnO_x高效催化1,2,3,4-四氢喹啉氧化脱氢芳构化

采用新型无模板草酸盐路线制备了系列不同Cu含量的MnO_x催化剂(MnO_x、Cu1-MnO_x、Cu2-MnO_x、Cu3-MnO_x、Cu4-MnO_x、Cu2-450及Cu2-550),并应用于1,2,3,4-四氢喹啉(THQL)氧化脱氢芳构化。通过热重和热流分析(TG-DSC)、X射线衍射(XRD)、N2物理吸附-脱附、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、能谱(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)、H2程序升温还原(H2-TPR)、原子吸收光谱(AAS)手段对催化剂进行表征。结果显示在这七种锰氧化物中,Cu2-MnO_x具有高比表面积、增大的介孔平均孔径、较低的还原温度、最高的Mn~(3+)含量和吸附氧含量,最高的Mn~(3+)/Mn~(4+)。Cu2-MnO_x在温和的反应条件下,以廉价的空气为氧化剂、无碱添加剂的情况下对THQL芳构化转化率和喹啉(QL)选择性分别达99.1%、97.2%。催化剂套用五次后转化率还可达95.8%,选择性随着套用次数增加略有降低,这可能是Cu元素的流失所致。催化剂无定型结构、Mn~(3+)和吸附氧含量,Mn~(3+)/Mn~(4+)、晶格氧的流动性及CuO和MnO_x的协同作用是高催化活性的关键因素。     

新型Ce3+掺杂亚磷酸锰开放骨架材料的合成与荧光性质

通过高通量实验方法制备了一系列新型的Ce³⁺离子掺杂亚磷酸锰(NH₄)₄[Mn_4-xCe_x(HPO₃)₆](简称JIS-10∶xCe³⁺) 无机开放骨架材料. 通过粉末X射线衍射(PXRD)谱图、 扫描电子显微镜(SEM)、 微量元素能谱(EDS)、 X射线光电子能谱(XPS)、 傅里叶变换红外(FTIR)光谱和光致发光(PL)光谱等手段对该材料进行了表征, 并研究了Ce³⁺离子掺杂浓度、 反应温度和时间对晶体相变和发光性能的影响. 结果表明, 在波长260 nm的光激发下, Ce³⁺离子在500 nm处有1个绿光发射带而Mn²⁺离子在590 nm处有1个黄光发射带. 调变JIS-10∶xCe³⁺材料中Ce³⁺离子的掺杂浓度发现, 当x=0.06^{时, 即Ce3+离子的掺杂浓度较低时, 样品的发射颜色为黄绿色, 其CIE坐标为(0.38, 0.48); 当Ce3+离子的掺杂浓度增加时, 绿色发光带的增长快于黄色发光带的增长, 从而调整发射颜色; 在x=1.33时观察到最强的发射, 浓度过高发生浓度猝灭.}     

低成本硫化物固态电解质Li6-xPS5-xClx的制备与性能研究

硫化物固体电解质以其室温电导率高,热稳定性好,电化学窗口宽等特点,在高功率及室温固态电池方面优势突出,是极具潜力的固态电解质材料. 但制备其所需的高纯度Li₂S原料高昂的价格使其实际应用受到掣肘,故本文使用单质锂金属（99.9%）、升华硫、氯化锂和五硫化二磷等低成本原料,采用球磨法和高温热处理制备得到了Li_6-xPS_5-xCl_x（x = 0.5）固态电解质粉末,通过X射线衍射（XRD）、拉曼（Raman）、扫描电子显微镜（SEM）及能谱仪（EDS）对Li_6-xPS_5-xCl_x（x = 0.5）固态电解质进行了表征,并使用交流阻抗法测试了其电导率,电导率可达8.29×10 ^-4 S·cm ^-1,将Li_6-xPS_5-xCl_x（x = 0.5）固态电解质粉末进行冷压制片,制成Li对Li半电池后显示了良好的循环性能.