Nanostructured and nanoporous LiFePO4 and LiNi0.5Mn1.5O4-δ as cathode materials for lithium-ion batteries

Recent developments in the synthesis of nanostructured cathode materials are reviewed for the two prominent compounds LiFePO₄ and LiNi_0.5Mn_1.5O₄, and own results on LiFePO₄ and LiNi_0.5Mn_1.5O₄ with different microstructure are presented. The synthesis of LiFePO₄ composites with porous carbons and the scale up of their synthesis is reported, as well as of nanoporous materials. In the case of LiNi_0.5Mn_1.5O₄ the formation of deteriorating cathode surface films is studied with thin film electrodes and ToF-SIMS depth profiling.     

熔盐法合成LiNi0.5Mn1.5O4及电化学性能

以一定比例的LiCl-LiNO_3为低熔点共混物,采用熔盐法合成了电化学性能良好的LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4,XRD表征结果显示产物为单一尖晶石相,SEM表征显示出材料良好的晶形,充放电测试结果显示出材料在4.7V平台附近有较大的可逆容量,在4.1V平台附近仅有较少的可逆容量。文章讨论了影响产物晶形和性能的各种因素,建议通过退火、改变合成气氛来消除4.1V平台的产生;研究结果还显示,容量的损失主要发生在第一次放电过程中在高电位区时的电解液的氧化分解.建议通过更换适合在高电位条件下工作的电解液来克服此问题;同时,通过调整低熔点共混物的配比、气氛、反应时间等条件可以实现对产物的结晶形态和大小进行适当的控制,显示了该方法在制备LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4材料中的应用前景.     

锂离子电池用高电位正极材料LiNi0.5Mn1.5O4

由于具有工作电压高、工作范围宽、比能量大、无污染、使用寿命长等优点,锂离子电池具有广阔的应用前景。 然而,目前商业化的锂离子电池仍无法满足电动汽车对电池低成本及高能量密度的要求。研发比能量更高、价格更低廉、寿命更长的锂离子电池成为电动汽车产业发展的关键。尖晶石结构的镍锰酸锂（LiNi_0.5Mn_1.5O₄）具有三维扩散通道,有利于锂离子的传输,且结构稳定;其理论放电比容量可达147 mAh ·g^-1。 更重要的是,其电压平台高达4.7 V,具有高的能量密度与功率密度,被认为是未来锂离子电池发展中最具前途与吸引力的正极材料之一。本文介绍了LiNi_0.5Mn_1.5O₄的结构、制备方法、掺杂与包覆改性研究及其应用前景,着重介绍了材料的改性方法并指出LiNi_0.5Mn_1.5O₄目前亟需解决的问题和研究重点。     

高密度LiNi0.5Mn1.5O4前躯体的制备工艺研究

采用二次干燥的化学共沉淀法制备出了LiNi0.5Mn1.5O4电池正极材料的前躯体.通过研究反应物浓度、聚沉剂、滤饼含水量和干燥方式等对产物品体结构和振实密度的影响,得到制备高密度锂离子电池正极材料前躯体的适宜条件为:NiSO4为0.375 mol/L,少量多次的添加聚沉剂,滤饼含水量为28％以及采用二次干燥的方式；该...     

碳燃烧合成锂离子电池正极材料LiNi0.5Mn1.5O4

锂离子电池自1991年推出以来得到迅猛发展,广泛用作各种电子器件的电源。近年由于能源和环境问题日益突出,电动汽车(EV)和混合电动汽车(HEV)日益受到重视,其关键是高功率密度电池。现有的二次电池中,锂离子电池是最适合的车用动力电池。提高锂离子电池功率的一个主要途径是提高正极材料的工作电压。因为正极材料的工作电压越高,电池的比功率就越高,就更适合用作电动汽车的动力电池。     

高电压锂离子正极材料LiNi0.5Mn1.5O4高温特性

随着新能源电动汽车和大容量储能的快速发展,亟需开发高能量密度、高功率密度的锂离子电池。镍锰酸锂(LiNi_0.5Mn_1.5O₄)由于具有高电压平台(4.7V)、较高的能量密度和功率密度、资源丰富、成本低等优点,被认为是最具潜力的锂离子电池正极材料之一。然而,在高温条件下,LiNi_0.5Mn_1.5O₄会与电解液发生严重的界面副反应,导致循环性能变差,这严重制约了其商业化进程。因此,改善LiNi_0.5Mn_1.5O₄的高温特性成为锂离子电池领域的研究热点之一。本文对近期LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料相关研究的主要成果进行综述,以LiNi_0.5Mn_1.5O₄的基本特性和现存挑战入手,着重关注离子掺杂、表面包覆和表面掺杂等策略提升材料的高温性能,并为后续研究提出建议和展望。     

SAC法制备LiNi0.01Co0.01Mn1.98O4及其电化学性能

采用SAC (starch-assisted combustion)法和高温固相法分别合成锂离子电池正极材料LiNi0.01Co0.01Mn1.98O4, 使用X射线衍射仪、BET法、粒度分析仪及扫描电子显微镜对合成材料的结构及物理性能进行了表征. 将合成材料作为锂离子电池正极活性材料, 用循环伏安、交流阻抗及充放电测试的电化学测试方法对材料进行了电化学的研究. 结果表明, 两种方法制备的材料均为纯尖晶石相; SAC法制备的LiNi0.01Co0.01Mn1.98O4颗粒小, 粒径分布均匀, 具有更好的结晶形态. SAC法制备材料在0.1C充放电条件下的初始放电容量为121.2 mAh•g−1, 100次循环后容量损失仅为3.5%, 5C放电的初始放电容量则达到了103.5 mAh•g−1. SAC法的一步工序具有操作简单、成本低廉的优势, 有望实现商业应用.     

锂离子电池正极材料LiNi 0.5Co 0.2Mn 0.3O2和LiNi 0.5Co 0.2Mn 0.3O2/LiFePO4容量衰减原因分析

采用湿法球磨法制备了锂离子电池混合正极材料LiNi _0.5Co _0.2Mn _0.3O₂/LiFePO₄ (NMC532/LFP). 通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、充放电测试和电化学阻抗谱测试(EIS)等方法研究对比了LiNi _0.5Co _0.2Mn _0.3O₂(NMC532)和LiNi _0.5Co _0.2Mn _0.3O₂/LiFePO₄ (NMC532/LFP)的容量衰减机理,结果表明：循环50次和60℃高温存储后,NMC532/LFP的容量保持率分别为97.80%、86.48%,其循环和高温存储性能较好. 循环和高温存储后NMC532和NMC532/LFP的电荷传递阻抗Rct明显增大,但NMC532/LFP的Rct较小. NMC532和NMC532/LFP的I(003)/I(104)值都有所减小,但NMC532/LFP的I(003)/I(104)值比NMC532的大,即NMC532/LFP材料的阳离子混排现象有所改善. 循环后NMC532、NMC532/LFP颗粒没有出现明显的表面开裂和链接断裂现象,但NMC532颗粒有部分发生粉化. 高温储存后NMC532颗粒表面出现裂纹,且颗粒之间的链接断裂,NMC532/LFP颗粒表面出现轻微粉化. 材料结构规整度下降,阳离子混排程度加剧,电荷传递阻抗增大是NMC532和NMC532/LFP容量衰减的主要原因.     

LiNi0.05Mn1.95O4的合成及其对Li+的离子交换热力学

以乙酸锂、乙酸锰和乙酸镍为原料,采用溶胶-凝胶法合成出掺镍的尖晶石型锂锰氧化物LiNi0.05Mn1.95O4.用0.5 mol·L-1的过硫酸铵对其进行酸改性后制得锂离子筛(记作LiNiMn-H).经测定LiNi0.05Mn1.95O4在酸改性过程中Mn2+的溶出率仅为0.31%(w,质量分数),LiNiMn-H对锂离子的饱和交换容量达5.29 mmol(36.72 mg)Li+/g离子筛.测定了15、25、35、45℃LiNiMn-H在H+-Li+体系吸附锂的离子交换等温线,并利用Pitzer电解质溶液理论计算出该离子交换体系的活度系数,得到H+-Li+交换的平衡常数Ka,△Gm、△Hm,和△Sm等热力学参数.结果表明,Ka随温度的升高而降低,LiNiMn-H对Li+的选择性大于原来可交换阳离子(H+)的选择性,吸附锂的过程是自发过程(△Gm＜0),该离子交换反应是放热反应.     

LiNi0.05Mn1.95O4的合成及其对Li+的离子交换热力学

以乙酸锂、乙酸锰和乙酸镍为原料, 采用溶胶-凝胶法合成出掺镍的尖晶石型锂锰氧化物LiNi0.05Mn1.95O4. 用0.5 mol·L-1的过硫酸铵对其进行酸改性后制得锂离子筛(记作LiNiMn-H). 经测定LiNi0.05Mn1.95O4在酸改性过程中Mn2+的溶出率仅为0.31%(w, 质量分数), LiNiMn-H对锂离子的饱和交换容量达5.29 mmol (36.72 mg) Li+/g 离子筛. 测定了15、25、35、45 ℃ LiNiMn-H 在H+-Li+体系吸附锂的离子交换等温线, 并利用Pitzer 电解质溶液理论计算出该离子交换体系的活度系数, 得到H+-Li+交换的平衡常数Ka, △Gm、△Hm和△Sm等热力学参数. 结果表明, Ka随温度的升高而降低, LiNiMn-H对Li+的选择性大于原来可交换阳离子(H+)的选择性, 吸附锂的过程是自发过程(△Gm<0), 该离子交换反应是放热反应.     

LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2材料及其电池

层状嵌锂多元过渡金属氧化物具有比容量高、循环性能好、价格便宜、环境友好等优点,是近年来国内外能源界研究热点之'。其中,Ni、Co、Mn三元复合体系(LiNi_xCo_(1-x-y)Mn_yO_2)安全性能十分优良,在中小型储能和动力电池方面有着广阔的应用前景,广受学术和产业界的关注。     

熔盐法合成LiNi0．5Mn1．5O4及电化学性能

以一定比例的LiCl-LiNO3为低熔点共混物，采用熔盐法合成了电化学性能良好的LiNi0.5Mn1.5O4，XRD表征结果显示产物为单一尖晶石相，SEM表征显示出材料良好的晶形，充放电测试结果显示出材料在4．7V平台附近有较大的可逆容量，在4．1V平台附近仅有较少的可逆容量。文章讨论了影响产物晶形和性能的各种因素，建议通过退火、改变合成气氛来消除4．1V平台的产生；研究结果还显示，容量的损失主要发生在第一次放电过程中在高电位区时的电解液的氧化分解，建议通过更换适合在高电位条件下工作的电解液来克服此问题：同时，通过调整低熔点共混物的配比、气氛、反应时间等条件可以实现对产物的结晶形态和大小进行适当的控制，显示了该方法在制备LiNi0.5Mn1.5O4材料中的应用前景。     

LiNi0.5Mn1.5O4-xFx高电压电极高温保存下的电化学行为

采用溶胶-凝胶法结合高温热处理制备了锂离子电池用5 V正极材料LiNi0.5Mn1.5O4-xFx(x=0, 0.1). 通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和低温氮吸附法(BET)表征了粉体材料的结构、表面形貌和比表面特性, 并以其为正极材料装配电池后, 在85 ℃下高温保存24 h, 测量了保存前后电池的一系列电化学性质变化. 结果表明, 高温保存时电池开路电压会因自放电而较快地下降. 材料的比表面积和氟掺杂显著地影响电池的电压保持能力. 比表面积愈大, 电压保持时间愈短. 氟掺杂有利于提高电池在高温条件下的电压稳定性, 并可以改善电极与电解液之间的界面性质,使充放电性能更好.     

LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2材料及其电池

层状嵌锂多元过渡金属氧化物具有比容量高、循环性能好、价格便宜、环境友好等优点，是近年来国内外能源界研究热点之一。其中，Ni、Co、Mn三元复合体系（LiNixCo1-x-yMnyO2）安全性能十分优良，在中小型储能和动力电池方面有着广阔的应用前景，广受学术和产业界的关注。     

Synthesis and electrochemical performance of LiNi0.475Mn0.475Al0.05O2 as cathode material for lithium-ion battery from Ni–Mn–Al–O precursor

LiNi_0.475Mn_0.475Al_0.05O₂ cathode material was prepared by solid-state reaction using Ni–Mn–Al–O solid solution as precursor. The solid solution is of spinel structure, in which nickel, manganese, and aluminum are sufficiently mixed at atomic level. Rietveld refinement of X-ray diffraction data revealed that Al doping in LiNi_0.5Mn_0.5O₂ was significantly effective to decrease the degree of Li/Ni cation mixing. XPS analysis showed that the valence states of nickel and manganese were mainly +2 and +4, respectively. LiNi_0.475Mn_0.475Al_0.05O₂ delivered a stable capacity of about 206 mAh g⁻¹ with high reversibility. High-rate capability test was also performed.     

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.     

尖晶石型锰酸锂正极材料LiNi0.01Co0.03Mn1.96O4的 合成及电化学性能

采用固相燃烧法制备了具有多面体形貌的Ni-Co共掺杂尖晶石型LiNi_0.01Co_0.03Mn_1.96O₄(LNCMO)正极材料. 研究结果表明, LNCMO具有优异的倍率性能和长循环稳定性, 在25 ℃, 1C或5C倍率条件下, 初始放电比容量分别为110.6和102.3 mA·h/g, 循环1000次后容量保持率为75.7%和78.3%; 在10C和20C高倍率下, 循环1000次后, 容量保持率分别为78.8%和54.2%; 即使在高温(55 ℃)和1C倍率下, 循环1000次后容量保持率仍为76.6%. LNCMO具有较大的Li ⁺扩散系数(4.77×10 ^-11 cm ²/s)和较低的表观活化能(23.37 kJ/mol).     

亚微米去顶角八面体LiNi0.08Mn1.92O4正极材料制备及高温电化学性能

采用低温固相燃烧法快速制备了一种具有{111}、{110}和{100}晶面的去顶角八面体LiNi_0.08Mn_1.92O₄ (LNMO)正极材料, 其高暴露{111}晶面可以减少充放电过程中Mn的溶解, 面积相对较小的{110}和{100}晶面可增加Li⁺快速扩散的通道. 测试结果表明, 所合成的LNMO具有LiMn₂O₄特有的立方晶系结构, 其颗粒尺寸为亚微米级. LNMO的高温电化学性能优异, 在55 ℃, 1和5 C的首次放电比容量分别为109.9和98.0 mAh/g, 分别循环300次后容量保持率为75.8%和80.5%; 即使在55 ℃, 10和15 C下分别循环1000次后仍具有48.4%和49.4%的容量保持率, 而未掺杂的LiMn₂O₄于15 C循环1000次后容量损失高达98%. LNMO在55 ℃有较高的Li⁺扩散系数(D=3.86×10^-15 cm²/s)和较小的电荷转移阻抗(循环前、后R_ct=158.0和279.8 Ω)以及较低的表观活化能(E_a=17.63 kJ/mol), 说明Ni掺杂能够提高Li⁺在尖晶石型LiMn₂O₄内的扩散速率及减小锂离子在脱嵌过程中的能垒, 从而提高锂离子的扩散速率和倍率性能. 对LNMO于55 ℃循环1000次后的极片进行X射线衍射(XRD)分析, 发现LNMO电极材料的晶体结构基本保持不变, 表明Ni掺杂提高了锰酸锂材料在55 ℃长循环过程中的晶体结构稳定性, 有效抑制了Jahn-Teller效应及Mn的溶解, 显著提升了其高温电化学性能. 本工作为尖晶石LiMn₂O₄电极材料在高温方面的应用提供了借鉴.     

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.     

正极材料LiNi0.45Co0.1Mn0.45O2的制备与性能

正极材料LiNi0.45Co0.1Mn0.45O2的制备与性能;正极材料; 溶胶凝胶合成法; 电化学性能; 锂离子电池