非原位拉曼光谱区分富锂层状氧化物的集成结构:一种预测Li2MnO3活化程度的有效方法

采用5种方法,即溶胶-凝胶法、高温固相法、共沉淀法、水热法和溶剂热法合成了富锂材料Li_(1.2)Mn_(0.6)Ni_(0.2)O_2。拉曼光谱研究发现共沉淀法制备的样品是固溶体结构,而其他4个样品是以不同尺度共生形成的复合物结构。电化学性能测试结果表明这5个富锂材料性能存在明显差异,尤其是在首次充电过程中5个样品位于4.5 V以上由Li_2MnO_3组分活化所贡献的容量明显不同,共沉淀法制备的具有固溶体结构的样品中由Li_2MnO_3组分活化贡献的容量最多。由此我们建立起电化学性能与两相集成方式的联系,不同的集成方式使得Li_2MnO_3组分活化所贡献的容量不同,进而影响了最终的电化学性能。     

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。     

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。     

富锂层状正极材料Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2的二次颗粒粒径对其倍率性能的影响

采用碳酸盐共沉淀的方法成功制备了不同二次颗粒粒径的富锂层状正极材料Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂。并运用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、激光粒度测试和电化学测试等手段对所得材料的结构、形貌、粒度分布及电化学性能进行表征。结果显示,不同二次颗粒粒径的Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂在材料结构上没有明显的差别,且首次放电比容量接近,均达到了281 mAh·g^-1。但是,二次颗粒粒径越小,富锂层状材料的表现出的倍率性能越优异,当二次颗粒的D₅₀为4.59μm,其在3C倍率下的放电容量达到了199 mAh·g^-1。这是因为二次颗粒粒径越小,富锂层状材料可更好的与导电剂和电解液接触,且锂离子的扩散路径更短,从而表现出更好的倍率特性。     

富锂层状正极材料Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2的二次颗粒粒径对其倍率性能的影响

采用碳酸盐共沉淀的方法成功制备了不同二次颗粒粒径的富锂层状正极材料Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂。并运用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、激光粒度测试和电化学测试等手段对所得材料的结构、形貌、粒度分布及电化学性能进行表征。结果显示,不同二次颗粒粒径的Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂在材料结构上没有明显的差别,且首次放电比容量接近,均达到了281 mAh·g^-1。但是,二次颗粒粒径越小,富锂层状材料的表现出的倍率性能越优异,当二次颗粒的D₅₀为4.59 μm,其在3C倍率下的放电容量达到了199 mAh·g^-1。这是因为二次颗粒粒径越小,富锂层状材料可更好的与导电剂和电解液接触,且锂离子的扩散路径更短,从而表现出更好的倍率特性。     

纯相Li2MnO3薄膜的制备及作为锂离子电池正极材料的电化学行为

采用固相烧结法制备了纯相Li₂MnO₃正极材料及靶材,采用脉冲激光沉积（PLD）法在氧气气氛、不同温度下沉积了Li₂MnO₃薄膜. 通过X射线衍射（XRD）和拉曼（Raman）光谱表征了薄膜的晶体结构,采用扫描电镜（SEM）观察薄膜形貌及厚度,利用电化学手段测试了Li₂MnO₃薄膜作为锂离子电池正极材料性能. 结果表明,PLD 方法制备的纯相Li₂MnO₃薄膜随着沉积温度升高薄膜结晶性变好. 25 ℃沉积的薄膜难以可逆充放电,400 ℃沉积的薄膜具有较高的电化学活性和循环稳定性. 相对于粉末材料,400与600 ℃制备的Li₂MnO₃薄膜电极平均放电电位随着循环次数的衰减速率明显低于相应的粉体材料.     

富锂层状正极材料Li2Mn1-xTixO3的合成及电化学性能

应用简单的高温固相烧结法合成了Ti掺杂改性的Li₂MnO₃材料。电子扫描显微镜、X射线衍射以及X射线光电子能谱分析表明Ti元素取代Mn离子掺入到Li₂MnO₃晶格中,且掺杂能有效地抑制一次颗粒的团聚。电化学阻抗和恒流充放电测试结果表明,在2.0~4.6 V的电压窗口下,掺杂改性的样品Li₂Mn_0.9Ti_0.03O₃的首圈放电比容量达到209 mAh·g^-1,库仑效率为99.5%,循环40圈后容量保持率为94%;当电流密度增大到400 mA·g^-1时,掺杂改性的样品仍然可以放出120 mAh·g^-1比容量,远高于同等电流密度下未掺杂的Li₂MnO₃原粉的比容量（52 mAh·g^-1）。Ti掺杂可有效地改善Li₂MnO₃的循环稳定性和倍率性能,有利于促进该材料的商业化应用。     

多孔微纳结构富锂正极材料0.6Li2MnO3·0.4LiNi0.5Mn0.5O2的制备及其电化学性能

采用碳酸盐共沉淀与燃烧法相结合的方法制备得到了多孔微纳球形结构的富锂正极材料0.6Li₂MnO₃·0.4LiNi_0.5Mn_0.5O₂。借助X射线衍射（XRD）分析、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、N₂吸附-脱附和恒电流充放电测试研究了其晶体结构、微观形貌和电化学性能。结果表明该方法制备出的材料是由一次颗粒径约300 nm的小颗粒组成的多孔微纳球形结构,比表面积为13 m²·g^-1,具有完善的α-NaFeO₂层状结构（空间群为R3m）。电化学性能测试结果证实该材料具有优异的高容量、高循环稳定性和高倍率性能。在2.0~4.8 V,电流密度为0.1C、0.2C、0.5C、1C、3C、5C和10C时的放电比容量分别为：266、254、235、205、186、149和107 mAh·g^-1;在0.5C下循环100次后,放电比容量仍为217 mAh·g^-1（容量保持率为94%）。     

Ag/C包覆对Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2电化学性能的影响

运用共沉淀和元素化学沉积相结合的方法,制备出了具有Ag/C 包覆层的层状富锂固溶体材料Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13]O₂. 通过X 射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、恒流充放电、循环伏安（CV）,电化学阻抗谱（EIS）和X 射线能量散射谱（EDS）方法,研究了Ag/C 包覆层对Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13]O₂电化学性能的影响. 结果表明,Ag/C 包覆层的厚度约为25 nm,Ag/C 包覆在保持了固溶体材料α-NaFeO₂ 六方层状晶体结构的前提下,显著地改善了Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13]O₂ 的电化学性能. 在2.0-4.8 V（vs Li/Li⁺）的电压范围内,首次放电（0.05C）容量由242.6 mAh·g^-1提高到272.4 mAh·g^-1,库仑效率由67.6%升高到77.4%;在0.2C倍率下,30 次循环后,Ag/C 包覆的电极材料容量为222.6 mAh·g^-1,比未包覆电极材料的容量高出14.45%;包覆后的电极材料在1C下的容量仍为0.05C下的81.3%. 循环伏安及电化学交流阻抗谱研究表明,Ag/C包覆层抑制了材料在充放电过程中氧的损失,有效降低了Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13]O₂颗粒的界面膜电阻与电化学反应电阻.     

正交层状LiMnO2在电化学循环过程中的相变和活化特性

用高精度非原位XRD结合Rietveld结构精修对固相法制备的正交层状LiMnO₂(简写为o-LiMnO₂)在电化学循环过程中的相变进行了研究。结果表明：首次循环就出现相变,循环5次后o-LiMnO₂相变完全;产物中除了有类尖晶石型锰酸锂(Li_0.86Mn_0.14)(Mn_0.92Li_0.08)₂O₄(Fd3m)外,还证实了文献的理论计算和晶体学推测出的岩盐型锰酸锂(Li,Mn)O₂(Fd3m)的存在;并定量计算了两物相的相含量。证实两物相均参与了电化学循环,其中类尖晶石型锰酸锂对电化学容量的变化起主要作用;岩盐型锰酸锂在电化学循环过程中逐渐向类尖晶石型锰酸锂转变,使电极的放电容量不断增加,这种转变停止时,放电容量达到最大,活化过程结束。     

不同组分下富锂正极材料xLi_2MnO_3·(1-x)LiNi_(0.5)Mn_(0.5)O_2(x=0.1-0.8)的晶体结构与电化学性能

采用溶胶-凝胶法制备了一系列富锂锰基正极材料xLi2MnO3?(1-x)LiNi0.5Mn0.5O2(x=0.1-0.8),通过X射线衍射(XRD)仪,扫描电子显微镜(SEM)和电化学测试等检测手段表征了所得样品的晶体结构与电化学性能,研究了不同组分下富锂材料的结构与电化学性能.结果表明:Li2MnO3组分含量较高时,材料的首次放电容量较高,但循环稳定性较差;该组分含量较少时,所得样品中出现尖晶石杂相,且放电容量较低,但循环稳定性较好;综合来看,x=0.5时材料的电化学性能最优.x=0.4,0.6时材料也表现出了较好的电化学性能,值得关注.     

富锂层状正极材料Li_2Mn_(1-x)Ti_xO_3的合成及电化学性能

应用简单的高温固相烧结法合成了Ti掺杂改性的Li_2MnO_3材料。电子扫描显微镜、X射线衍射以及X射线光电子能谱分析表明Ti元素取代Mn离子掺入到Li_2MnO_3晶格中,且掺杂能有效地抑制一次颗粒的团聚。电化学阻抗和恒流充放电测试结果表明,在2.0~4.6 V的电压窗口下,掺杂改性的样品Li_2Mn_(0.97)Ti_(0.03)O_3的首圈放电比容量达到209 m Ah·g~(-1),库仑效率为99.5%,循环40圈后容量保持率为94%;当电流密度增大到400 m A·g~(-1)时,掺杂改性的样品仍然可以放出120 m Ah·g~(-1)比容量,远高于同等电流密度下未掺杂的Li_2MnO_3原粉的比容量(52 m Ah·g~(-1))。Ti掺杂可有效地改善Li_2MnO_3的循环稳定性和倍率性能,有利于促进该材料的商业化应用。     

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_(1.0)Na_(0.2)Ni_(0.13)Co_(0.13)Mn_(0.54)O_2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_(0.77)Mn O_(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 m Ah·g~(-1)和215.8 m Ah·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 m Ah·g~(-1)和106.2 m Ah·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Li_2Mn O_3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Ni~(2+)、Co~(3+)、Mn~(4+)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。     

正极材料Li_(0.99)Nb_(0.01)Fe_(1-x)Mg_xPO_4/C的制备及电化学性能的研究

采用两步固相反应合成了锂、铁双位掺杂的锂离子电池正极材料Li0.99Nb0.01Fe1-xMgxPO4/C(x=0,0.01,0.02,0.03,0.04)。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)以及恒电流充放电测试,研究了复合材料的晶体结构、形貌以及电化学性能。实验结果表明,制备的Li0.99Nb0.01Fe1-xMgxPO4/C(x=0,0.01,0.02,0.03,0.04)为纯相,掺杂适量的Nb5+、Mg2+离子可减小材料的晶粒尺寸,当Nb离子掺杂量为1mol%、Mg离子掺杂量为3mol%时,Li0.99Nb0.01Fe0.97Mg0.03PO4/C的电化学性能最佳。室温下,0.2C、1C、2C、4C(1C=170mA·g-1)倍率充放电其首次放电比容量分别为153.7、149.7、144.6、126.4mAh·g-1,即使在8C倍率下放电其放电比容量也有92.2mAh·g-1,并表现出良好的循环性能。     

正交结构LixMnO2正极材料的合成及其电化学性能研究

0引言随着社会的进步,人们对化学电源提出了高能量、长寿命、低成本、低环境污染的要求。1990年由日本Sony能源公司率先研制成功的锂离子电池可以部分满足上述要求,一经问世,便迅速在便携式电子设备、电动汽车等众多领域展示了广阔的应用前景,掀起了锂离子二次电池的研究热潮。