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%.     

三元锂离子电池容量衰减机理研究进展

三元锂离子电池主要是指使用镍钴锰酸锂（NCM）或镍钴铝酸锂（NCA）作为正极材料的锂离子电池,三元锂离子电池广泛应用于电动汽车、3C电子产品、储能等领域。然而,三元锂离子电池的循环寿命已成为其进一步发展的最大障碍,因此了解三元锂离子电池的容量衰退机理具有重要意义。三元锂离子电池的衰退机理主要包括五个方面：晶体结构的改变和相变、活性材料的损失、电解质的分解和消耗、可脱嵌锂离子的损耗以及固体电解质界面的形成。本文总结了近年来相关方面的研究进展,以期更全面地总结三元锂离子电池的容量衰减机理,并对三元锂离子电池的应用前景进行了展望。     

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.     

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.     

Li3V2(PO4)3/C正极材料在不同电压区间的电化学行为及容量衰减原因

采用溶胶-凝胶法制备锂离子电池正极材料Li₃V₂(PO₄)₃/C. 通过恒电流充放电测试、循环伏安(CV)、电化学阻抗谱(EIS)等方法, 研究了Li₃V₂(PO₄)₃/C 在不同电压区间的电化学行为(3.0-4.5 V和3.0-4.8 V). 结果表明, 3.0-4.8 V电压区间的循环性能和倍率性能均不及3.0-4.5 V电压区间的. 3.0-4.5 V区间0.1C (1C=150mA·g^-1)倍率首次放电比容量为127.0 mAh·g^-1, 循环50次后容量保持率为99.5%, 而3.0-4.8 V区间的分别为168.2 mAh·g^-1和78.5%. 经过高倍率测试后再回到0.1C倍率充放电, 3.0-4.5 V和3.0-4.8 V的放电比容量分别为初始0.1C倍率的99.0%和80.7%. 经过3.0-4.8 V电压区间测试后, 少部分第三个锂离子能够在低于4.5V的电压脱出, 使3.0-4.5 V电压区间的放电比容量提升了7.4%. CV结果表明3.0-4.8 V区间的容量损失主要表现为第一个锂离子的不可逆损失. 极片的X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)分析测试结果表明经过3.0-4.8 V测试后, Li₃V₂(PO₄)₃的结构发生了轻微的改变. 电感耦合等离子体(ICP)测试结果表明循环后的电解液中含有少量的V. 结构变形和V溶解可能是Li₃V₂(PO₄)₃在3.0-4.8 V区间容量衰减的主要原因.     

锂离子电池碳包覆锡负极性能研究

应用水热法分解葡萄糖制作锂离子电池碳包覆锡负极. 充放电测试表明,添加5%（by mass）乙炔黑导电剂的该电极初始放电比容量达967 mAh.g^-1,经50周循环其放电比容量仍保持362 mAh.g^-1,远高于锡电极的比容量（50周循环166 mAh.g^-1）. 碳包覆可防止锡粉团聚,降低锡的不可逆容量损失. 而添加乙炔黑可降低碳包覆电极与电解液间的交流阻抗,改善电极内部锂离子及电子的传导通道,从而也提高了该电极的初始放电比容量.     

纳米CoFe2O4/GNS负极制备及其电化学性能研究

采用溶剂热法一步合成纳米尺寸CoFe₂O₄/GNS复合材料（直径约为15 nm）,其颗粒尺寸均一,且均匀分散于石墨烯表面. 电化学测试结果表明,该复合物电极具有良好的循环和倍率性能,500 mA·g^-1电流密度下100周期循环比容量稳定在709 mAh·g^-1, 容量保持率高达95.8%;2 A·g^-1电流密度,其比容量仍高达482 mAh·g^-1.     

锂离子电池负极材料Li4Ti5O12的合成及性能研究

本文通过乙酸锂与二氧化钛反应,采用一步高温固相法在不同反应温度（750 °C/800 °C/850 °C）和反应气氛（氮气/空气）下合成Li₄Ti₅O₁₂材料. 通过热重分析、X射线衍射、扫描电子显微镜、循环伏安曲线和充放电曲线分析了Li₄Ti₅O₁₂的晶体结构,观察其微观形貌,并测试其电化学性能. 结果表明,800 °C氮气烧结得到的Li₄Ti₅O₁₂（L-800N）材料粒径较小,该材料在1.0C倍率下的首周期放电比容量达到170.7 mAh·g^-1,100周期循环后的容量保持率高达94.6%,即使是10C高倍率其首周期放电容量依然有143.0 mAh·g^-1,表现出了良好的倍率和循环寿命性能.     

过充保护添加剂氰基功能化2, 5-二叔丁基对苯二酚的合成及其在锂离子电池中的应用

设计合成了单氰基功能化的2, 5-二叔丁基-1-（β-氰基乙氧基）-4-甲氧基苯（RS-MCN）和双氰基功能化的2, 5-二叔丁基-1, 4-（β-氰基乙氧基）苯（RS-DCN）,并用作氧化还原过充添加剂开展了其在锂离子电子中的应用研究。通过丙烯氰和2, 5-二叔丁基对苯二酚的迈克尔加成反应可高效合成RS-MCN和RS-DCN,氰乙基取代后的过充保护添加剂分子的可逆氧化还原电位分别为4.02、4.08 V（vs Li/Li⁺）;并且单氰基取代的RS-MCN在商业碳酸酯电解液1 mol·L^-1 LiPF6/EC+DEC+EMC（1：1：1,体积比）中的溶解度可高达0.3 mol·L^-1。RSMCN和RS-DCN对LiFePO₄/Li电池的过充保护性能和电极相容性也进行了深入的研究,实验结果表明：RSMCN具有更好的过充保护性能和电极相容性,其5 V截止电压过充保护时间可超过1200 h,100%过充保护大于90周循环;0.3 mol·L^-1 RS-MCN的添加能使100%过充的LiFePO₄/Li电池在2.5C倍率条件下正常循环,其放电比容量达153.5 mAh·g^-1。此外,RS-MCN的添加对LiFePO₄/Li电池在2.5-3.8 V条件下的循环性能有明显改善,添加有RS-MCN的电池在60周的循环后容量保持率高达94.4%,而商业电解液的电池在60周循环后的容量保持率降至84.3%。因此,氰基功能化RS-MCN是一类具有潜在应用前景的过充保护添加剂。     

三元锂离子动力电池衰减机理

失效分析是通过剖析电池循环过程中复杂的物理和化学变化引起的失效现象,优化材料制备和电池制作工艺,提升电池性能的有效途径。 通过对3.0～4.2 V电压范围1C循环1000周镍钴锰酸锂(NCM,LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂)三元锂离子动力电池拆解分析后发现,正极容量损失约为2.73%,负极容量损失约为2.4%。 对比正负极片循环前后X射线衍射和场发射扫描电子显微镜分析发现,正极容量损失主要由正极颗粒破碎和结构转变引起的,负极衰减主要由循环过程中Li⁺持续脱嵌导致石墨层状结构损伤引起的。 正极过渡金属阳离子溶解并沉积在负极,催化电解液/电极界面副反应,导致负极过度成膜,活性锂损失,影响电极过程动力学也是电池失效的原因之一。     

锂离子电池硅基负极材料的最新研究进展

硅基材料因具有目前最高的理论比容量、合适的嵌锂平台、大储量等优点,引起了众多研究者的关注,成为最具潜力的下一代锂离子电池的负极材料. 但是硅在嵌锂过程中巨大的体积变化,容易破坏电极结构的稳定性,使电极循环性能迅速衰减,这对硅基材料的应用造成了很大的阻碍. 本文主要针对近年来在硅电极自身的结构（包括：多孔硅基复合材料的合成、硅粘结剂的选择,无粘结剂的纳米硅电极的制备）以及电解液添加剂的选择两大方面的最新研究进展进行总结与评述.     

Three new bifunctional additive for safer nickel-cobalt-aluminum based lithium ion batteries

The phosphorus-containing additives can help for forming a stable solid electrolyte interface film on the NCA cathode, thus enhance the thermal stability of the electrolyte and cycle performance of the battery.     

石墨负极表面聚合物功能保护膜对 锂离子电池存储寿命的提升

采用溶液浸渍法制备了聚乙烯醇(PVA)均匀包覆的石墨并研究了其微观形貌及电化学性能. 以LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂(NCA)为正极材料、 PVA包覆石墨为负极材料组装成软包电池和钢壳电池, 研究了PVA功能保护膜对全电池的电化学性能和存储寿命的影响. 结果表明, 存储过程中PVA功能保护膜可以有效抑制电解液和石墨内嵌锂反应的发生, 延长电池的存储寿命.     

Thermal runaway and fire behavior investigation of lithium ion batteries using modified cone calorimeter

The lithium ion battery has been widely used, but it has high fire risk due to its flammable materials. In this study, a series of combustion tests are conducted on the 18650-type lithium ion batteries using the modified cone calorimeter. The temperature and voltage variation of the battery, heat release rate and gas generation during combustion are measured in this study. The battery is heated evenly by the self-made heater, and the reliable trigger temperatures of thermal runaway are obtained for different states of charge (SOCs) batteries in this study. The fire behavior of the 100% SOC batteries is shown in this paper. The net heat absorption by the battery before thermal runaway is calculated based on the heat transfer theory. It ranges from 56.81 to 64.05 kJ for 0 to 100% SOC batteries, which shows a decreasing trend as SOC increases. The peak combustion heat release rate of 100% SOC batteries is 3.747?±?0.858 kW. CH₄ and CO gases are detected before and after thermal runaway. The generation of CO shows an increasing trend as SOC increases. Some suggestions on the early warning system of battery thermal runaway are proposed based on this study.

     

Cycling performance and temperature stability of a tin-borate glass anode

The thermal stability and cycling performance for a new glass material, SnB₂O₄, of interest for use as anode material in Li-ion batteries, have been examined. Both the potential range and the electrolyte composition were varied to investigate their impact on the cycling stability. It was found that the SnB₂O₄ glass exhibits an upper charge limit of 0.8 V for good cycling stability. No such limit was found for the discharge potential. When cycled in the (0.01–0.8) V range, a capacity of around 530 mAh/g was achieved for at least 40 cycles. The cycling performance was almost unaffected by changes in the electrolyte composition. Differential scanning calorimetry (DSC) measurements on the glass anode revealed a high thermal stability that exceeds that of graphite, regardless of the potential range or the specific electrolytes investigated.     

Improving the stability of LiNi_(0.80)Co_(0.15)Al_(0.05)O_2 by AlPO_4 nanocoating for lithium-ion batteries

Nickel-rich layered materials,such as LiNi_(0.8)0Co_(0.15)Al_(0.05)O_2(NCA),have been considered as one alternative cathode materials for lithium-ion batteries(LIBs) due to their high capacity and low cost.However,their poor cycle life and low thermal stability,caused by the electrode/electrolyte side reaction,prohibit their prosperity in practical application.Herein,AlPO4 has been homogeneously coated on the surface of NCA via wet chemical method towards the target of protecting NCA from the attack of electrolyte.Compared with the bare NCA,NCA@AlPO_4 electrode delivers high capacity without sacrificing the discharge capacity and excellent cycling stability.After 150 cycles at 0.5 C between 3.0-4.3 V,the capacity retention of the coated material is 86.9%,much higher than that of bare NCA(66.8%).Furthermore,the thermal stability of cathode is much improved due to the protection of the uniform coating layer on the surface of NCA.These results suggest that AlPO4 coated NCA materials could act as one promising candidate for next-generation LIBs with high energy density in the near future.     

锂硒电池正极材料的研究进展

锂硒电池因其高体积比容量(3253 mAh·cm~(-3)),以及硒的高电导率(1×10~(-3) S·m~(-1))等显著优点,在体积受限的储能系统中具有潜在的应用价值。引起了国内外研究学者的广泛关注。但是,目前锂硒电池的性能还不理想,仍然存在许多科学问题亟待解决,包括多硒化锂的穿梭效应,电解液的适配性,充放电过程中电极体积变化等。近年来,研究工作者针对这些关键科学问题开展了许多研究和探索,锂硒电池已成为储能领域的一个新的研究热点。本文综述了锂硒电池的研究现状,着重介绍了硒-碳复合正极材料的研究进展,论述了锂硒电池的优势及存在的问题,系统分析了硒基正极材料结构和性能之间的关系,总结了锂硒电池的反应机理及其与电解液的相关性,最后展望了锂硒电池的未来发展方向。     

二氟草酸硼酸钠作为电解液添加剂对石墨负极性能的影响

锂离子电池日益广泛的应用对其性能提出越来越高的要求,而在电解液中加入适当的添加剂能够显著提升电极材料的电化学性能. 本文首次在1 mol·L^-1 LiPF₆/EC + DMC + EMC（体积比1:1:1）的电解液中添加一定量的二氟草酸硼酸钠(NaDFOB),并通过循环伏安（CV）、电化学阻抗图谱（EIS）和扫描电子显微镜（SEM）等分析考察了其对石墨负极材料性能的具体影响. 结果显示,添加NaDFOB的电解液显著提高了石墨材料在常温下的可逆充放电容量和循环性能,同时明显改善了石墨材料的高温循环性能. 其机理在于NaDFOB的阴阳离子同时参与了石墨表面固体电解质界面膜（SEI）的形成,形成高稳定性的电解液/电极界面.     

正硅酸乙酯对高电压镍锰酸锂基全电池电化学性能的影响

为了提高镍锰酸锂全电池的电化学性能,本文采用物理混合的方法在负极浆料中加入正硅酸乙酯(TEOS),并按m(TEOS)∶m(石墨)=0∶100、5∶100、10∶100、16∶100、20∶100的比例进行搅拌混合。 以镍锰酸锂为正极,石墨为负极,组装成502030型软包装锂离子电池,并对该电池进行恒流充放电和内阻等测试。 测试结果显示,0TEOS(m(TEOS)∶m(石墨)=0∶100)样品的电池内阻为159 mΩ,循环200圈后,容量保持率为52.6%,放电比容量为46 mA·h/g;16TEOS(m(TEOS)∶m(石墨)=16∶100)样品的电池为105 mΩ,65.7%和62.9 mA·h/g。 实验结果表明:通过物理混合的方法在负极浆料中加入TEOS,有利于在负极表面形成结构稳定的人工固体电解质膜(SEI膜),提高镍锰酸锂材料的循环和倍率性能。