锂离子电池用富锂层状正极材料

正极材料与负极材料是锂离子电池重要组成部分。目前锂离子电池负极材料比容量通常在300mAh/g以上,而正极材料比容量始终徘徊在150mAh/g。正极材料正在成为锂离子电池性能进一步提升的瓶颈。富锂层状正极材料是一类新型正极材料,其可逆容量在200mAh/g以上,其高容量特性引起人们的广泛关注。这类材料可以用xLi₂MO₃·(1-x)LiM'O₂ (M 为Mn, Ti, Zr之一或任意组合; M'为Mn, Ni, Co之一或任意组合; 0≤x≤1)形式表示。由于其组成与结构的特殊性,这类富锂层状正极材料的充放电机理也不同于其它含锂过渡金属氧化物正极材料。本文介绍富锂层状正极材料的合成、结构与充放电机理,重点介绍近年来通过改性提高其电化学性能方面的研究进展,指出目前富锂材料研究中存在的问题,探讨未来的研究重点。     

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。     

锂离子电池富锂过渡金属氧化物xLi_2MnO_3·(1-x)LiMO_2(M=Ni,Co或Mn)正极材料

作为下一代高比能锂离子电池正极材料的有力竞争者,富锂过渡金属氧化物xLi2MnO3·(1-x)LiMO2(M=Ni,Co或Mn)相对于传统的锂离子电池正极材料而言,具有比容量高的显著优势(可超过300mAh/g),因此近年来得到了广泛关注。本文对富锂过渡金属氧化物xLi2MnO3·(1-x)LiMO2(M=Ni,Co或Mn)近几年的研究进展进行了总结,对该类材料的晶体结构特征以及首次充放电机理、不同合成方法的发展以及电化学性能的改善进行了评述,并对这类材料今后的发展方向提出了思考。     

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。     

Ag掺杂LiFePO_4/C正极材料的结构及电化学性能

用真空固相反应与液相还原结合的方法,合成了锂离子电池正极材料——金属银掺杂的覆碳磷酸铁锂(LiFePO4/Ag/C),用X射线衍射、扫描电镜、循环伏安、交流阻抗等技术研究其结构、形貌及电化学性能。结果表明,该正极材料为橄榄石型晶体、类球形颗粒(粒径范围约为0.5~2.0μm);Ag掺杂能使合成的LiFePO4颗粒粒径更小、分布更均匀,有效地提高其电化学循环性能;LiFePO4/Ag/C电极0.1C倍率充放的首次放电比容量为138.2mAh/g,50次循环的放电比容量为130.1mAh/g,最高放电比容量为148.3mAh/g;LiFePO4/Ag/C正极材料具有良好的锂离子传导性能,其锂离子扩散系数(DLi+)为8.94×10-15cm2/s。     

锂硫电池正极材料研究进展

电动汽车行业的迅速发展,逐步提高了对二次电池容量的要求,因此急需发展新型高容量锂电池。锂硫电池具有高理论比容量(1675mAh/g)和高理论比能量(2600Wh/kg),使其能够实现锂离子电池3~5倍的能量密度。但是,正极长链多硫化物溶解引起的容量衰减快、循环寿命短等因素限制了锂硫电池的实用化进程。本文针对正极聚硫锂溶解问题,从正极材料表面包覆、表面吸附、表面催化的角度对近年来提高锂硫电池循环性能的正极材料研究思路和研究进展进行综述,最后对提高锂硫电池性能的发展趋势提出展望。     

高比能锂离子电池层状富锂正极材料改性策略研究进展

层状富锂材料具有超过250 mAh∙g⁻¹的高可逆比容量,被认为是下一代高比能锂离子电池最具商业化前景的正极材料之一。然而,层状富锂材料在实际应用之前仍需解决诸多挑战,如高电压氧释放、层状到岩盐相的结构变化、过渡金属离子迁移等结构劣化,并由此带来了较低的初始库伦效率、电压/容量的衰减以及循环寿命的不足。针对以上问题,进行层状富锂材料改性无疑是一种行之有效的方法。本综述全面介绍了层状富锂材料的结构、组分以及电化学性能,在此基础上对材料改性策略进行了系统阐述,详细介绍了体相掺杂、表面包覆、缺陷设计、离子交换和微结构调控等一系列改性策略的现状以及发展趋势,最终提出了高容量和长循环层状富锂材料和高比能锂离子电池的设计思路。     

动力型锂离子电池富锂三元正极材料研究进展

随着电动汽车、智能电网以及大规模储能领域的快速发展,对作为储能设备的锂离子电池的各项性能指标,如能量密度和功率密度等,提出了更加苛刻的要求。因此,开发稳定性好、比容量高的新型正极材料是进一步提高锂离子电池能量密度的关键。富锂三元正极材料xLi_2MnO_3·(1-x)Li Mn_(1/3)Ni_(1/3)Co_(1/3)O_2(0.1≤x≤0.5)具有工作电压高、比容量高、环境友好等优点,引起了广大科研工作者的高度关注和广泛研究。本文就此类新型富锂三元正极材料的研究进展进行了总结,对该类材料的晶体结构特征以及首次充放电机理、电化学性能的改善等进行了评述,并对其未来的发展方向进行了展望。     

锂离子电池高容量合金复合负极材料的研究新进展

随着锂离子电池的应用范围向薄膜电池、储能和动力电池等方面扩展，对电池的能量密度和使用寿命提出了更高的要求，电极材料是决定这些性能的关键。目前商业化的锂离子电池负极材料主要是中间相炭微球和改性石墨。它们的比容量，尤其是体积比容量不够高。而且，由于它们的嵌锂电位接近金属锂，快速充电时容易在电极表面析出锂并产生锂枝晶，有安全隐患。因此，寻求新的高性能负极材料一直是锂离子电池研究的重要方向。     

pH对溶胶-凝胶法制备的锂离子电池正极材料磷酸铁锂的形貌及电化学性能的影响

采用溶胶-凝胶法制备了锂离子电池正极材料LiFePO_4;探讨了pH对磷酸铁锂的形貌及电化学性能的影响.结果表明,随着pH的升高,LiFePO_4的粒径减小,粒径分布变窄,电化学性能提高.在不同pH下制备的LiFePO_4材料以0.2C的倍率放电,首次放电比容量分别为126.8mAh/g、132.4mAh/g、145.6mAh/g.     

锂离子动力电池及其关键材料的发展趋势

进一步提高电池的能量密度是动力电池发展的主题和趋势,而关键材料是其基础.本文从锂离子动力电池正、负极材料,隔膜及电解液等几个方面,对锂离子动力电池关键材料的发展趋势进行评述.开发高电压、高容量的正极新材料成为动力锂离子电池比能量大幅度提升的主要途径;负极材料将继续朝低成本、高比能量、高安全性的方向发展,硅基负极材料将全面替代其他负极材料成为行业共识.此外,本文还对锂离子动力电池正极、负极材料等的选择及匹配技术、动力电池安全性、电池制造工艺等的关键技术进行了简要分析,并提出了锂离子动力电池研究中应予以关注的基础科学问题.     

LiNi_(0.8)Co_(0.2)O_2的络合法合成及其电化学性能研究

采用络合法制备了锂离子电池的活性正极材料LiNi0.8Co0.2O2粉体,该合成材料结晶良好,层状结构发育完善.电池充放电测试表明,作为锂离子电池正极,其电化学性能与LiNi0.8Co0.2O2粉体的合成温度有关,其中以900℃下合成得到的材料性能最优:第1次放电比容量高达142mAh/g,循环30次后可逆比容量仍高达122mAh/g,容量损失为14.5%.文中对容量退化的原因进行了分析.     

准固态锂离子电池正极材料柱[5]醌的研究

锂离子电池的有机正极材料由于具有比容量高、环境友好和廉价等优点,近年来成为研究的热点.但是,有机电极材料在液态电解液中的溶解流失易导致其容量迅速衰减,严重限制了它们的实际应用.本工作基于聚(甲基丙烯酸酯)/聚乙二醇的准固态电解质,考察了以柱[5]醌为正极的准固态锂二次电池的电化学性能.结果显示,柱[5]醌正极不仅保持了高容量的特性(首次放电容量410 mA h/g),并且循环寿命得到了有效提高.0.2 C下循环100周后,电极的容量保持率为88.5%,显示了柱[5]醌在高比能量准固态锂离子电池中的应用潜力.     

锂离子电池预锂化补锂策略研究进展

锂离子电池(LIBs)因高能量密度和长循环寿命而被广泛用于储能电子产品、电动汽车等众多领域。然而,在锂离子电池首次充放电过程中,固体电解质界面(SEI)膜的形成会造成电解液发生不可逆分解、初始活性Li⁺损失(ALL)和不可逆容量损失,会影响电池体系容量和能量密度的发挥,对于硅基负极电池体系而言尤为显著。基于这一问题,亟需开发各种补锂策略来降低活性锂损失,有效提高电池体系的首次库仑效率(ICE),从而实现更高的能量密度和循环稳定性。结合现阶段所做工作,从正负极角度出发,将预锂化补锂策略分为正极预锂化和负极预锂化,主要包括富锂正极材料、富锂预锂化试剂、惰性锂金属粉、含锂有机溶液等一系列预锂化补锂措施。通过系统的分类、比较与总结后,对预锂化以实现电池的高能量密度和长循环寿命提出建议,有助于为预锂化策略走向商业化提供启示。     

锂离子电池高容量合金复合负极材料的研究新进展

随着锂离子电池的应用范围向薄膜电池、储能和动力电池等方面扩展,对电池的能量密度和使用寿命提出了更高的要求,电极材料是决定这些性能的关键.目前商业化的锂离子电池负极材料主要是中间相炭微球和改性石墨.它们的比容量,尤其是体积比容量不够高.     

基于钴酸锂载体构筑高体积比容量硫基复合材料

锂-硫电池具有高的理论质量/体积能量密度,因而成为最具发展潜力的高比能二次电池体系. 然而,由于硫载体通常采用轻质的碳纳米材料,导致硫基复合材料的振实密度和体积比容量均偏低,制约了电池体积能量密度的提升. 本文尝试采用具有高密度特征的钴酸锂(LiCoO₂)作为硫的载体材料,以构筑高振实密度的硫基复合材料,进而提高硫正极的体积比容量. 研究显示,LiCoO₂对可溶性多硫化物具有较强的吸附作用,能够促进硫的电化学转化,因而提高了硫的活性物质利用率和循环稳定性. 同时,由于具有高的振实密度(1.90 g·cm^-3),S/LiCoO₂复合材料的首周体积比容量高达1750.5 mAh·cm^-3,是常规硫/碳复合材料的2.2倍. 因此,本文利用具有高密度特征的LiCoO₂作为硫载体来提升硫复合材料的体积比容量,有助于实现锂-硫电池的高体积能量密度.     

氧化还原媒介体分子调控锂-硫电池硫正极性能研究进展

锂-硫(Li-S)电池具有较高的理论比容量(约1 675 mAh·g^-1)和能量密度(约2 600 Wh·g^-1),被认为是继锂离子电池之后最有前途的下一代高能量密度电池.Li-S电池在实现产业化之前需要克服硫正极诸多技术瓶颈,主要有硫的导电性差、多硫化物的穿梭效应与硫电极体积膨胀等.本文着重梳理了氧化还原媒介体分子在硫正极改性研究上的进展,并对硫正极的未来发展趋势进行了展望.     

Li-S电池硫正极性能衰减机理分析及研究现状概述

由于汽车工业的持续发展, 对高能量密度二次电池的需求逐步增加, 锂硫电池开始走进人们的视野. 锂硫电池的理论比能量高达2600 Wh/kg, 而单质硫的理论比容量达1680 mAh/g. 同时, 硫的储量丰富, 廉价, 并且环境友好. 虽然可充电锂硫电池相比于传统锂离子电池有诸多优势, 但目前其可实现的实际比容量远低于理论比容量, 循环寿命也较短等弊端限制了其大规模应用. 作者从Li-S电池正极的工作原理出发, 对硫正极容量损失及衰减机理做了深刻的解析, 并结合本实验室的工作归纳总结了导致硫正极容量衰减的主要因素. 针对硫正极容量衰减因素, 从碳导电结构、聚合物包覆以及纳米金属氧化物添加剂等方面, 对近年来提高硫正极性能的主要研究方向及最新研究进展进行了综述, 并对其中存在的问题进行分析, 最后对提高Li-S电池的整体性能提出展望.     

富锂锰基正极材料的表面改性研究进展

随着电动汽车和储能电站等电力设备的快速发展,对高能量密度的锂离子电池的需求日益增加.高比容量（>250 mAh·g^-1）的富锂锰基正极材料,有望成为锂离子电池实现高比能量（>350 Wh·kg^-1）的关键正极材料.富锂锰基正极材料的Li₂MnO₃相和晶格氧参与电化学反应使其拥有了高容量,但这也导致表面结构和成分容易发生变化,进而造成富锂锰基正极材料存在着诸如首次库伦效率低、倍率性能差和循环后电压和容量衰减严重等问题.因此,本文综述了富锂锰基正极材料的表面包覆、表面掺杂和表面化学处理三种表面改性方法,并进一步讨论了三种表面改性方法对材料性能提升的机制机理和优缺点.在此基础上,介绍了近些年基于多方法的表面联合改性工作.通过对富锂锰基正极材料进行表面联合改性,不仅可以改善其结构稳定性和抑制电极/电解液界面副反应,而且可以缓解其在循环过程中不断发生的结构转变和晶格氧的析出问题.最后,对富锂锰基正极材料表面改性研究方向进行了总结和展望.     

浅析动力电池的技术发展

从普及纯电动汽车的远期目标出发,基于动力电池的技术现状,本文提出了动力电池的近、中和远期的合理开发目标.通过分析可能满足各阶段目标的电池体系,提出了动力电池的技术发展路线,着重分析了提升正极或负极容量对于电池能量密度的贡献,并针对锂离子电池、锂-硫和锂-空气电池的材料与技术发展提出了可能的思路.最后,简要分析了动力锂离子电池的安全性问题及其可能的解决方案.