锂离子电池正负极材料研究进展

本文阐述了近年来锂离子电极材料的合成、结构以及性能等方面的发展状况。正极包插嵌锂的层状ＬｉｘＭＯ２和尖晶石型结构的ＬｉｘＭ２Ｏ４的过渡金属氧化物（Ｍ＝Ｃｏ,Ｍｎ,Ｖ）,负极材料包括石墨、焦碳、活性碳、低温热解碳以及金属氧化物等。     

嵌锂石墨充电机制的abinitio和DFT理论研究

用ab initio/HFt DFT/B3LYP方法探究了在锂离子二次电池中锂离子在石墨负 电极材料里可逆脱过程。理论计算结果表明，嵌锂石墨LIG充放电机制是锂在石黑 碳层间可闹乱子嵌脱，同时伴随着锂与碳层间发生电荷连续转移和碳层堆积方式改 变的协同过程；计算结果也明确证实，嵌锂石墨嵌入脱出锂离子的过程就是锂离子 二次电池储存与释放能量的过程，提出的嵌锂石墨充放电机制较好地丰富了固体电 解质相界面SEI机理和单电子还原机理。     

嵌锂石墨充电机制的abinitio和DFT理论研究

用ab initio/HFt DFT/B3LYP方法探究了在锂离子二次电池中锂离子在石墨负 电极材料里可逆脱过程。理论计算结果表明，嵌锂石墨LIG充放电机制是锂在石黑 碳层间可闹乱子嵌脱，同时伴随着锂与碳层间发生电荷连续转移和碳层堆积方式改 变的协同过程；计算结果也明确证实，嵌锂石墨嵌入脱出锂离子的过程就是锂离子 二次电池储存与释放能量的过程，提出的嵌锂石墨充放电机制较好地丰富了固体电 解质相界面SEI机理和单电子还原机理。     

锂离子电池铌基氧化物负极材料

锂离子电池负极材料钛酸锂由于其高功率和优异的循环性能得到了广泛的研究,但是较低的比容量(175 m Ah/g)限制了其应用前景。与钛酸锂相比,铌基氧化物具有相似的嵌脱锂电位和更高的比容量,也展现出良好的倍率性能和循环性能,有望成为新型功率型负极材料。本文综述了多种铌基复合金属氧化物(Nb2O5,Ti Nb2O7,Li Nb3O8等)的晶体结构、电化学性能和嵌脱锂机理,讨论了材料的组成、形貌和制备工艺等对其嵌脱锂性能的影响,并概述其作用机制。此外,本文还归纳总结了铌基材料嵌脱锂行为的共性,并比较了它们与钛酸锂的异同,对其作为高功率锂离子电池负极材料的研究趋势和发展前景进行了展望。     

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。     

锂离子电池锡-金属-碳复合负极材料

石墨作为锂离子电池的负极材料已经使用了很长时间。但由于其嵌锂容量低,已不能满足动力电池快速发展的需求。而锡可以与锂形成合金,有可能取代石墨成为下一代锂离子电池负极材料。但是单纯的金属锡在电池循环过程中发生巨大的体积变化,容易导致电极材料的粉化。而碳材料具有较高的导电性,良好的机械性能和储锂性能。为了充分发挥金属锡和碳材料的优势,锡-碳(Sn-C)复合材料得到了广泛研究。本文详细介绍了无定型碳、石墨(G)、石墨烯(GP)、碳纳米管(CNT)、碳纳米纤维(CNF)等碳材料作为惰性的导电基体与锡形成的二元复合物,阐述了锡与其它金属(M)形成的碳基三元、多元复合物的结构和性能。通过总结近些年对锡碳复合物结构与性能的研究,相信多元复合和多种结构的应用是提高锡-碳复合负极材料的关键。其中,以Sn-Co-C为基础的多元复合负极材料最有可能走向市场应用。     

锂离子电池正极材料的晶体结构及电化学性能

正极材料是锂离子电池的重要组成部分。作为提供自由脱嵌锂离子的正极材料,其晶体结构的特点决定了锂离子脱嵌路径方式的不同,并对锂离子电池的电化学性能等产生明显影响。本文根据正极材料的晶体结构和锂离子“脱嵌/嵌入”路径方式的不同,重点讨论了一维隧道结构、二维层状结构和三维框架结构正极材料的晶体结构特点、锂离子“脱嵌/嵌入”路径和其电化学性能之间的关系,主要包括一维隧道结构正极材料LiFePO₄,二维层状结构正极材料LiMO₂(M=Co, Ni, Mn)、Li_1+xV₃O₈和Li₂MSiO₄ (M=Fe, Mn) 以及三维框架结构正极材料LiMn₂O₄和Li₃V₂(PO₄)₃。揭示了目前锂离子电池正极材料的研究现状和存在问题,并对今后的发展方向进行了评述。     

MOFs衍生金属氧化物及其复合材料在锂离子电池负极材料中的应用

锂离子电池作为比能量最高的二次电池,广泛用于便携电子设备、新能源汽车和大规模储能电站等领域。目前商用锂离子电池正面临着一些技术瓶颈,如能量密度低和使用寿命短等。关于锂离子电池负极材料的报道有很多,但大多无法克服锂化前后巨大的体积膨胀、电极材料粉末化和电极阻抗大等缺点。金属-有机骨架衍生金属氧化物及其复合材料因具有低而平的充放电电位平台、高容量和稳定的循环性能等优点,被广泛应用于锂离子电池。本文将从单金属氧化物、双金属氧化物、双组分金属氧化物复合材料和金属氧化物/碳复合材料四个模块进行综述,总结其合成方法、形貌与电化学性能之间的关系,并展望其未来发展的机遇与挑战。     

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。     

高能量密度的锂离子混合型电容器

锂离子混合型电容器兼有锂离子电池和超级电容器的优点,在电化学储能领域具有广泛的应用前景. 但其产业化仍存在一系列的基础及工艺方面的问题,具体包括器件结构设计、电极材料筛选、预嵌锂工艺和电解液与电极的界面等. 本文结合作者课题组的研究工作介绍了近年来高能量密度的锂离子混合型电容器的研究进展,内容涉及锂离子电容器正/负极材料的筛选、预嵌锂工艺的优化、内并联结构的锂离子电池型超级电容器复合正极组成材料的调控、隔膜的选择、电解液的组成、以及器件的高/低温性能,分析了锂离子电容器的容量衰减机制,探讨了锂离子电池型超级电容器的储能机制,提出了未来对高能量密度的锂离子混合型电容器研究的展望.     

锂嵌入对α-V2O5中O2p和V3d轨道电子结构的影响

运用第一性原理计算了锂嵌入对α-V2O5中O2p和V3d轨道电了结构的影响．计算结果表明，不同的锂嵌入位置对O2p和V3d轨道的电了结构有着不同的影响．但锂的嵌入会减弱了V2O5中V=O1键，同时导致V3d导带的劈裂变窄或消失和HO2p价带变宽．最后计算出从每个Li2s轨道到V3d轨道的电子传递数为0．52．     

锂离子二次电池锰系正极材料

综述了锂离子二次电池锰系正极材料的研究进展，侧重于阐述尖晶石型及层状锰酸锂的制备、结构与电化学性能之间的关系。     

Enhancement of intercalation properties of V2O5 film by TiO2 addition

Although it is well-known that TiO2 incorporation can greatly improve the cyclic stability of V2O5, the influences of TiO2 addition on the Li+ intercalation properties of V2O5 remain an issue of debate in literature. In this paper, we report on a systematic investigation of the preparation and intercalation properties of V2O5-TiO2 mixture films. The present work demonstrates that high Li+ intercalation rates and capacity in V2O5 films are achievable with TiO2 addition. For example, the addition of 20 mol % Ti into V2O5 polycrystalline demonstrated an approximated 100% improvement in Li+ intercalation performance as compared to single V2O5 electrodes. Such enhancement in intercalation properties of V2O5 films with TiO2 addition was attributed to changes in microstructure, crystallinity, and also a possible lattice structure and interaction force between adjacent layers in V2O5.     

快速合成宽带激发、窄带发射白光LED用Li2CaSiO4∶Eu2+蓝-绿荧光粉

采用微波辅助法合成了蓝-绿色荧光粉Li2CaSiO4∶Eu2+,该荧光粉能很好的与紫外光及蓝光LED匹配。分别采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和激发-发射光谱(PLE/PL)对样品进行了表征。X射线衍射数据与标准卡片PDF#27-290很好吻合。扫描电镜测试表明样品粒径在2~5μm。在紫外光和蓝光激发下,Li2CaSiO4∶1%Eu2+发射主峰位于478 nm,对应于Eu2+的t2g→8S7/2电子跃迁,半高峰宽31 nm。样品发光性能与Eu2+掺杂浓度有关,且Eu2+的最佳掺杂浓度为1%。合成的样品色坐标为(0.09,0.24),可作为白光LED用蓝-绿色荧光材料。     

Insights into Layered Oxide Cathodes for Rechargeable Batteries

Layered intercalation compounds are the dominant cathode materials for rechargeable Li-ion batteries. In this article we summarize in a pedagogical way our work in understanding how the structure’s topology, electronic structure, and chemistry interact to determine its electrochemical performance. We discuss how alkali–alkali interactions within the Li layer influence the voltage profile, the role of the transition metal electronic structure in dictating O3-structural stability, and the mechanism for alkali diffusion. We then briefly delve into emerging, next-generation Li-ion cathodes that move beyond layered intercalation hosts by discussing disordered rocksalt Li-excess structures, a class of materials which may be essential in circumventing impending resource limitations in our era of clean energy technology.     

Mechanism of lithium intercalation in titanates

First principles calculations of Li insertion in a variety of titanate structures have revealed a common mechanism underlying the intercalation behavior of these materials. The mechanism is based on the accommodation of the electron density donated upon intercalation in particular orbitals of Ti ions and is governed by a strong coupling between the structural and electronic degrees of freedom. A new predictive model is developed which relates the local structure of TiO₂ polymorphs to their phase behavior upon Li intercalation.     

Electronically driven structural distortions in lithium intercalates of the n = 2 Ruddlesden-Popper-type host Y2Ti2O5S2: synthesis, structure, and properties of LixY2Ti2O5S2 (0 < x < 2)

Lithium intercalation into the oxide slabs of the cation-deficient n = 2 Ruddlesden-Popper oxysulfide Y(2)Ti(2)O(5)S(2) to produce Li(x)Y(2)Ti(2)O(5)S(2) (0 < x < 2) is described. Neutron powder diffraction measurements reveal that at low levels of lithium intercalation into Y(2)Ti(2)O(5)S(2), the tetragonal symmetry of the host is retained: Li(0.30(5))Y(2)Ti(2)O(5)S(2), I4/mmm, a = 3.80002(2) A, c = 22.6396(2) A, Z = 2. The lithium ion occupies a site coordinated by four oxide ions in an approximately square planar geometry in the perovskite-like oxide slabs of the structure. At higher levels of lithium intercalation, the symmetry of the cell is lowered to orthorhombic: Li(0.99(5))Y(2)Ti(2)O(5)S(2), Immm, a = 3.82697(3) A, b = 3.91378(3) A, c = 22.2718(2) A, Z = 2, with ordering of Li(+) ions over two inequivalent sites. At still higher levels of lithium intercalation, tetragonal symmetry is regained: Li(1.52(5))Y(2)Ti(2)O(5)S(2), I4/mmm, a = 3.91443(4) A, c = 22.0669(3) A, Z = 2. A phase gap exists close to the transition from the tetragonal to orthorhombic structures (0.6 < x < 0.8). The changes in symmetry of the system with electron count may be considered analogous to a cooperative electronically driven Jahn-Teller type distortion. Magnetic susceptibility and resistivity measurements are consistent with metallic properties for x > 1, and the two-phase region is identified as coincident with an insulator to metal transition.     

功能化固态电解质膜改性锂金属负极的研究进展

对高比能量锂离子电池需求的不断增加激发了锂金属负极的应用研究。锂金属具有高放电比容量(3860 mAh·g^?1),低电极电位(?3.04 V),是锂离子电池的理想负极材料。然而,锂金属在循环过程中会形成不稳定的固态电解质(SEI)膜,而且会生成枝晶,枝晶的生长会引发电池短路等安全问题,极大地阻碍了其应用。理想的SEI膜应具有良好的锂离子传导性、表面电子绝缘性和机械强度,可调控锂离子在表面均匀沉积,促进离子传输,抑制枝晶生长,因此构筑功能化SEI膜是解决锂金属负极所面临挑战的一项有效策略。本综述以锂金属枝晶形成和生长的机理为出发点,分析总结SEI膜的构建策略、不同组成SEI膜的结构和功能特性及其对锂金属负极性能的影响,并对锂金属实用化面临的挑战及未来发展方向进行了展望。     

稳定锂电化学沉积和溶解行为的LiC6异质微结构界面层

本文采用机械辊压方法在金属锂表面通过原位固相反应生成LiC₆异质微结构界面层,并研究了在碳酸酯有机电解液体系下该异质层对锂电化学沉积和溶解行为的影响。通过形貌表征与电化学测试发现,LiC₆异质层能够有效提升锂电化学沉积的可逆性与均匀性,从而抑制枝晶生长及维持沉积/溶解界面的稳定。使用异质层改性金属锂负极的扣式全电池也较纯金属锂负极体系表现出更为优异的循环稳定性。     

轻质三维多孔泡沫铝用作高性能锂金属负极骨架

将轻质、三维多孔且亲锂的泡沫铝用作锂(Li)金属负极骨架,通过简单的机械挤压方法,将泡沫铝与金属Li复合,制得Al@Li复合负极。泡沫铝自身的高亲锂性,能够为Li金属成核提供丰富且均匀的活性位点,诱导Li在泡沫铝内部的快速成核和均匀电沉积。同时,泡沫铝的三维多孔结构,可以容纳Li金属负极在充放电过程中的巨大体积应变,降低局部电流密度,从而有效抑制Li枝晶的生长。因此,与纯Li金属负极相比,所获得的Al@Li复合负极在对称电池和LiFePO₄||Al@Li半电池中,均表现出了更加优异的循环稳定性。