FeSb2纳米棒的溶剂热合成与电化学脱嵌锂性能

用溶剂热法合成了作为一种新型锂离子电池负极材料的FeSb2纳米棒. 高分辨透射电镜(HRTEM)观察表明, FeSb2纳米棒的直径为20～40 nm, 长度为0.2～1.0 μm. 恒流充放电测试和循环伏安测试显示, FeSb2纳米棒首次可逆容量达到543 mAh•g−1, 经过10次循环后, 可逆容量保持在353 mAh•g−1. 虽然首次库仑效率仅为64%, 但仍明显优于FeSb2纳米颗粒, 并在10次循环后基本稳定在90%. FeSb2纳米棒在循环过程中仍可能发生粉化和破裂, 导致电极逐渐失效.     

新型三维网状锡-钴合金负极材料的结构与性能

应用电沉积技术制备了三维网状结构的Sn-Co合金负极材料, 采用XRD、SEM和电化学方法考察了该负极材料的结构和性能. XRD分析表明, 该三维网状结构的Sn-Co合金镀层为六方固溶体结构. 其电化学性能测试表明: 三维网状结构Sn-Co合金微晶电极的性能稳定, 其首次放电容量高达493.4 mAh•g−1, 首次库仑效率达80.03％, 而平面结构Sn-Co合金电极的首次库仑效率为63.47％. 经50周充放电循环后, 三维网状结构Sn-Co合金电极的放电容量为329.6 mAh•g−1, 放电容量保持率为66.8％；SEM分析表明: 三维网状Sn-Co合金电极表面是由大小不一、高低不同的“岛”紧密排列在一起；“岛”和多孔结构的存在, 缓冲了锂嵌入时体积的膨胀, 部分抑制了材料结构的变化, 减缓了电极容量的衰减, 改善了电极的循环性能.     

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.     

一种新型氧化还原电解液电化学电容器体系

以含有Fe3+/Fe2+离子对的H2SO4溶液为电解液, 以多孔炭做电极材料, 就Fe3+/Fe2+离子对在多孔炭纳米孔隙中的电化学行为及准电容效应进行了探讨. 循环伏安测试结果表明, Fe3+/Fe2+离子对在多孔炭电极纳米孔隙中发生了可逆的电化学反应. 恒流充放电结果发现, 加入Fe3+/Fe2+使得充放曲线出现对称的充放电平台, 有效地提高了电化学电容器(EC)的电能存储容量, 其单电极比电容最高达174 mAh•g−1, 比单纯的H2SO4电解液的比电容高109 mAh•g−1, 且有着良好的循环稳定性. 根据实验现象及结果, 探讨了Fe3+/Fe2+离子对在EC电极上的充放电机理, 并提出了一种新的概念——氧化还原电解液电化学电容器.     

LiF-Ni纳米复合薄膜的电化学性能研究

采用脉冲激光沉积法在不锈钢基片上制备了LiF-Ni纳米复合薄膜, 用充放电和循环伏安实验测量了该薄膜的电化学性能. 首次充电容量为107 mAh•g−1, 它对应第一次释放锂的过程. 在充放电循环过程中, 锂的嵌入、脱出通过非原位高分辨电子显微和选区电子衍射得到证实. 这一结果为LiF可以由过渡金属Ni驱动分解提供了直接的实验证据.     

磷酸铁锂在饱和硝酸锂溶液中的电极过程动力学

利用循环伏安法(CV)、充放电测试和恒电位间隙滴定技术(PITT)研究了LiFePO4在饱和LiNO3溶液中的电极过程动力学. 研究结果表明, LiFePO4在饱和LiNO3溶液中具有良好的电化学可逆性, 其首次放电比容量达116.2 mAh•g−1, 首次充放电效率达92%. CV法估算出氧化峰和还原峰处锂离子在LiFePO4中的扩散系数分别为4.3×10−11和3.8×10−11 cm2•s−1. 采用PITT测定出锂离子在LiFePO4中的扩散系数随电位的变化规律, 其在充电平台附近达到最小值5.5×10−11 cm2•s−1.     

锂离子电池薄膜锡负极材料的制备及容量衰减机理研究

以电镀的方法在铜基底上沉积薄膜锡作为锂离子电池负极材料. 运用X射线衍射、扫描电镜、电化学循环伏安、电化学充放电和交流阻抗等多种方法对其结构和性能进行表征和研究. 结果表明所制备的薄膜锡电极主要为四方晶系结构, 其初始放电(嵌锂)容量为709 mAh•g^－1, 充电(脱锂)容量为561 mAh•g^－1. 电化学循环伏安研究发现在嵌/脱锂过程中薄膜锡经历了多种相变过程. 电化学阻抗谱结果说明, 首次嵌锂过程中当电极电位达到1.2 V在电极表面形成SEI膜, 而当电极电位低于0.4 V表面SEI膜出现破裂, 归因于体积膨胀所致. SEM研究表明30次充放电循环后薄膜锡负极出现龟裂现象.     

纳米Co-Sn金属间化合物的合成、表征及电化学吸放锂行为

用溶剂热法合成了三种纳米尺寸的Co-Sn金属间化合物, 即CoSn2、CoSn和Co3Sn2, 并研究了它们作为锂离子二次电池新型负极材料的电化学性能. 合成的粉末经过了X射线衍射(XRD), 透射电镜(TEM)和场发射扫描电镜(FESEM)的表征. 研究发现, 这三种金属间化合物均显示出较高的充放电稳定性. 由于低的锂离子扩散速率, 在嵌锂过程中锂离子不能深入到晶粒内部, 导致它们的电化学活性较低, 尤其是Co3Sn2, 其首次充电容量仅为 93 mAh•g−1.     

Nb 掺杂LiFePO4/C 的一步固相合成及电化学性能

用固相法一步合成了Nb掺杂的LiFePO4/C复合材料, 研究了Nb掺杂量对材料电化学性能的影响. 结果表明, Nb掺杂后LiFePO4/C复合材料的电化学性能明显提高. 在0.5C、1C和2C充放电倍率下, 名义成分为Li0.96Nb0.008FePO4/C正极材料的比容量分别为161、148和132 mAh•g−1, 已达到实用化水平. 阻抗谱和循环伏安特性测试显示, Nb掺杂有效地降低了复合材料电极的阻抗和极化, 说明Nb掺杂的主要作用是提高了LiFePO4的电子电导率.     

硅镍纳米颗粒的氢电弧等离子体制备及电化学性能研究

采用氢电弧等离子体方法成功地合成了硅镍合金纳米颗粒， 分别用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和能谱分析(EDS)的方法对其形貌、晶体结构和元素化学成分进行了表征，结果显示得到的纳米颗粒由Si和Si₂Ni两相组成。电化学测量的结果表明，在锂嵌入硅镍纳米颗粒的过程中，硅充当活性中心，形成了非晶态的Li_xSi合金，并且在以后的循环中一直保持非晶状态，而其中的Si₂Ni作为惰性成分，不与Li反应，而是充当缓冲基体及导电剂的作用。硅镍合金纳米颗粒的可逆容量达1 304 mAh·g^-1，并且循环性能明显优于纯硅材料。硅镍合金纳米颗粒与石墨组成的复合材料，不但具有较高的可逆比容量，而且有较好的循环稳定性，20次循环后比容量仍为518 mAh·g^-1，容量保持率为86％,是有希望的锂离子电池负极材料。     

非晶态Fe-P合金电极的电沉积制备及其储锂性能

应用电沉积技术制备了Fe-P合金电极材料。采用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析了该合金材料的相结构和表面形貌。XRD分析结果表明电沉积的Fe-P合金具有非晶态结构。电化学性能测试表明：平面结构的Fe-P合金电极首次放电(脱锂)容量达542 mAh·g^-1,首次循环的库仑效率为60%;50周循环之后放电容量为366 mAh·g^-1。用非原位的XRD和SEM对电极的充放电机理进行了初步研究,结果表明,首次充电(嵌锂)过程中形成Li₃P相,电极表面生成纳米棒结构铁-磷合金,它能有效缓解锂嵌入/脱出时引起的合金结构变化,抑制合金材料的体积膨胀,从而提高该合金电极的充放电效率和循环性能。     

铬离子掺杂对LiFePO4电化学性能的影响

采用机械球磨和共沉淀的方法合成了两种Cr3＋掺杂的LiFePO4. 通过对合成样品的XRD、SEM及其电化学性能（循环性能、大电流放电性能）的研究表明，少量Cr3＋的掺杂未影响到LiFePO4的晶体结构，但显著改善了它的电化学性能，在低放电倍率（0.1 C）时，机械球磨掺杂和共沉淀掺杂Cr3＋的LiFePO4的放电容量分别为144和158 mAh•g－1，而当放电倍率提高到2 C时，两种掺杂的LiFePO4仍分别具有110和130 mAh•g－1的放电容量，且循环性能良好.同时表明通过铁源共沉淀掺杂是一条改善离子掺杂效果的有效途径.     

担载纳米硅的锂-碳复合微球作为锂二次电池负极

金属锂由于其极高的理论比容量(3860mAh·g~(-1),2061mAh·cm~(-3))和低的还原电势(相对于标准氢电极(SHE)为-3.04 V)等特点,成为了高能量密度锂电池负极材料的极佳选择之一。从上个世纪七十年代开始,科研工作者便开始了金属锂负极的研究,然而,由于金属锂与电解液反应严重,镀锂过程体积膨胀大,且在循环中易生成枝晶,以金属锂为负极的电池循环稳定性差,而且容易短路从而带来安全隐患。因此金属锂做为锂电池负极的商业化推广最终没有成功。在本工作中,我们在前期设计的锂-碳纳米管复合微球(Li-CNT)中引入了纳米硅颗粒制备了硅颗粒担载的锂-碳复合球(LiCNT-Si)。实验发现,纳米硅颗粒的加入不仅提高了锂-碳复合微球的载锂量(10%(质量百分含量)的硅添加量使得比容量从2000 mAh·g~(-1)提高到2600 mAh·g~(-1)),降低了锂的沉积/溶解过电势,有利于引导锂离子回到复合微球内部沉积,大大提高了材料的循环稳定性。同时,担载了纳米硅颗粒的锂-碳复合球也继承了锂-碳复合微球循环过程中体积膨胀小,不长枝晶的优点。而且添加的纳米硅颗粒还填充了Li-CNT微球中的孔隙,减少了电解液渗入复合微球内部腐蚀里面的金属锂,进一步提高了材料的库仑效率。以添加10%硅的锂碳复合材料作为负极,与商用磷酸铁锂正极组成全电池,在常规酯类电解液中1C (0.7 mA·cm~(-2))条件下能稳定循环900圈以上,库仑效率为96.7%,大大高于同样条件下测得的Li-CNT复合材料(90.1%)和金属锂片(79.3%)的库仑效率。因此,这种通过简单的熔融浸渍法即可制备的,具有高的比容量和长的循环稳定性的锂硅-碳复合材料具有较大的潜能成为高能量密度电池的负极材料,尤其适用于锂硫、锂氧这种正极不含锂源的电池体系。     

锂电池阴极材料尖晶石型LiMn2－xLaxO4的研究

采用高温固相法,合成了掺杂改性的锂离子电池阴极材料尖晶石结构的LiMn2－xLaxO4（x=0、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.10）.用XRD对材料的晶体结构进行了表征.从材料的晶体结构、充放电测试和循环性能等方面分析了掺杂元素镧在稳定晶体结构中的作用.实验表明，掺杂后的材料在常温和高温下的循环性能均得到了明显改善.而且当掺杂量x≤0.04时，材料有较高的放电比容量.