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。     

三元镍钴锰正极材料的制备及改性

三元镍钴锰正极材料是一类非常重要的正极材料,具有性能优于钴酸锂而成本远远低于钴酸锂、能量密度远远高于磷酸铁锂等重要优点,正在逐渐成为汽车动力电池的主流正极材料。但是,三元镍钴锰正极材料也存在循环稳定性不足、大电流密度放电性能不佳等问题。围绕解决这些问题并进一步提升三元镍钴锰正极材料的性能,近年来国内外在材料制备技术以及改性技术方面开展了大量的研究工作,取得了若干令人瞩目的研究成果。本文从材料制备方法、包覆修饰和掺杂改性三个方面,介绍了三元镍钴锰正极材料制备技术及改性技术的研究进展,在此基础上,对三元镍钴锰正极材料的未来发展方向作出展望。     

高镍三元正极材料的表面包覆策略

锂离子电池(LIBs)因具有更高的重量/体积能量密度、 更长的使用寿命、 更低的自放电率等优点而逐渐被广泛应用. 相比于已经广泛使用的钴酸锂和磷酸铁锂等正极材料, 高镍三元正极材料Li[Ni_1-x-yCo_xMn_y]O₂(NCM)以其高电压和高容量等优点, 逐渐成为下一代高能锂离子电池的首选正极材料之一. 尽管高镍NCM正极材料具有上述优点, 但在进一步的实际应用前还需解决其循环稳定性、 倍率性能和安全性等问题, 这些问题主要源于NCM材料本身的晶体结构不稳定、 正极-电解液间界面副反应及高界面电阻等. 针对这些问题, 目前对高镍NCM正极电化学性能优化的大量研究都与电极-电解液界面有关, 如何通过改善界面稳定性、 增加离子在固液界面的迁移率、 抑制界面副反应、 提高正极材料的稳定性进而改善电池性能成为了关注焦点. 本文总结了目前对于其电化学性能衰减的机理解释, 分类概括了包括电化学惰性包覆锂、 残积物清除剂包覆和锂离子良导体包覆等对于高镍NCM正极材料的颗粒表面包覆策略, 简述了一些新兴的包覆策略, 并对高镍NCM正极材料的发展方向和前景提出了展望.     

锂离子电池高电压和耐燃电解液研究进展

电解液作为锂离子电池的重要组成部分,起着传输离子的作用,电解液的性质对电池的容量、循环性能及安全性能等影响巨大.近年来,随着高电压、高能量密度锂离子电池的开发应用,现有常规碳酸酯电解液存在正极稳定性差、闪点低、易燃烧等问题.因此,发展高电压耐燃电解液是应用高电压高容量正极材料、发展高电压高容量高安全性锂离子电池的迫切需要.主要综述了高电压电解液、耐燃性电解液及兼具抗氧化性和耐燃性的高浓度电解液的研究进展和现状.在此基础上,对锂离子电池新型电解液的发展方向进行了展望.     

锂离子电池三元正极材料的研究进展

含有三种过渡金属元素的镍钴锰酸锂(Li(Ni,Co,Mn)O2,简称三元材料)作为最有商业化前途的锂离子电池正极材料,近年来受到了研究者和工业界广泛关注,有望成为动力电池的主要正极活性物质.本文对几种主要组成的三元材料(111,523,424,811)的合成工艺、材料掺杂和表面包覆改性、电解液匹配三方面的最新研究进展进行了综述,并对其商业化应用前景进行了展望和评价.     

层状Li(Ni1-xCox)O2结构研究

0引言层状钴酸锂是目前锂离子电池主要正极材料,但是,随着锂离子电池的广泛使用,急需比钴酸锂价格低和来源广泛的正极材料,层状锰酸锂和层状镍酸锂受到重视。由于锰氧化物存在有J-T效应,因此,严格意义上的层状锰酸锂的制备极其困难。制备层状镍酸锂也非常困难,高温反应极易生成Li1-xNi1 xO2,具有此种结构的镍酸锂存在严重首次能量衰减和循环性能下降的缺点。采用其他元素掺杂镍酸锂克服其缺点的研究已经很多,其中钴掺杂镍酸锂由于显示了良好的效果而被认为是最有希望替代钴酸锂的锂离子电池正极材料。有关层状镍钴酸锂的研究很多,但不少的…     

普鲁士蓝类嵌入正极材料的发展与挑战

作为一类具有开放离子通道、多种氧还反应位点、化学稳定的晶格结构,普鲁士蓝化合物具有潜在的高电压、高容量和循环稳定性,原则上适合于作为多种离子的嵌入正极材料.基于本课题组近年来的研究工作,本文分析了普鲁士蓝结构特征与离子嵌入行为之间的构效关系,简要介绍了作为锂离子、钠离子及其他多价金属离子(镁、铝、锌、钙等)嵌入正极的研究进展,并对目前存在的问题提出了可能的解决方案,以推动新一代嵌入材料体系及相关新型二次电池的发展.     

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.     

凝胶电解质软包钠离子电池的研究

近年来,钠离子电池因其在成本和低温性能方面具有独特优势而被广泛关注.由于层状氧化物正极与锂离子电池三元正极材料类似的制备工艺被率先推出,并将其与硬碳负极搭配组建钠离子电池.但是,由于钠离子电池层状氧化物残碱高、稳定性欠缺,在长循环过程中易引发电解液氧化分解而导致电芯产气,限制了软包钠离子电池的应用.本文采用凝胶电解质策略构建了凝胶电解质软包钠离子电池,并研究了该电池的电化学性能.结果表明,凝胶电解质对抑制电芯循环产气有显著作用,同时可以提高电芯的安全性能.     

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.     

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.     

Methods for enhancing the capacity of electrode materials in low-temperature lithium-ion batteries

Lithium-ion batteries(LIBs) have evolved into the mainstream power source of ene rgy sto rage equipment by reason of their advantages such as high energy density,high power,long cycle life and less pollution.With the expansion of their applications in deep-sea exploration,aerospace and military equipment,special working conditions have placed higher demands on the low-temperature performance of LIBs.However,at low temperatures,the severe polarization and inferior electrochemical activity of electrode materials cause the acute capacity fading upon cycling,which greatly hindered the further development of LIBs.In this review,we summarize the recent important progress of LIBs in low-temperature operations and introduce the key methods and the related action mechanisms for enhancing the capacity of the various cathode and anode materials.It aims to promote the development of high-performance electrode materials and broaden the application range of LIBs.     

A Truxenone-based Covalent Organic Framework as an All-Solid-State Lithium-Ion Battery Cathode with High Capacity

All-solid-state lithium ion batteries (LIBs) are ideal for energy storage given their safety and long-term stability. However, there is a limited availability of viable electrode active materials. Herein, we report a truxenone-based covalent organic framework (COF-TRO) as cathode materials for all-solid-state LIBs. The high-density carbonyl groups combined with the ordered crystalline COF structure greatly facilitate lithium ion storage via reversible redox reactions. As a result, a high specific capacity of 268 mAh g⁻¹, almost 97.5 % of the calculated theoretical capacity was achieved. To the best of our knowledge, this is the highest capacity among all COF-based cathode materials for all-solid-state LIBs reported so far. Moreover, the excellent cycling stability (99.9 % capacity retention after 100 cycles at 0.1 C rate) shown by COF-TRO suggests such truxenone-based COFs have great potential in energy storage applications.     

锂离子电池氧化亚硅负极结构优化和界面改性研究进展

氧化亚硅(SiO)作为锂离子电池负极材料,具有较高的理论比容量(~2043 mAh·g^-1)以及合适的脱锂电位(< 0.5 V),且原料储量丰富、制备成本较低、对环境友好,被认为是下一代高能量密度锂离子电池负极极具潜力的候选材料。然而,SiO在脱/嵌锂过程中存在着较严重的体积效应(~200%),易导致材料颗粒粉化、脱落,严重影响了SiO负极电极的界面稳定性和电化学性能。近年来,人们围绕SiO负极结构优化和界面改性开展了大量工作。本文先从SiO负极材料的结构特点出发,阐述了该材料面临的主要瓶颈问题;继而从SiO的结构优化、SiO/碳复合和SiO/金属复合等三方面,系统总结了迄今已有的SiO负极结构设计和界面调控策略,并分别对其方法特点、电化学性能以及二者间关联规律进行了比较和归纳,最后对SiO负极材料结构和界面改性的未来发展方向进行了展望。     

石墨炔-有机共轭分子复合材料的制备及其储锂性能

发展了基于超分子化学的新方法实现了对石墨炔的原位氮掺杂,通过利用石墨炔与有机共轭分子间强的π–π作用,原位制备了石墨炔/卟吩复合材料薄膜,并用作锂离子电池的负极材料,其比容量增加到了1000 mAh∙g⁻¹,该复合材料表现出优良的倍率性能和循环稳定性,为可控制备掺氮石墨炔复合材料提供了新的思路。     

Recent progress on lithium-ion batteries with high electrochemical performance

Lithium-ion batteries(LIBs) have been widely used in many fields such as portable electronics and electric vehicles since their successful commercialization in the 1990 s. However, the electrochemical performance of current commercial LIBs still needs to be further improved to meet the continuously increasing demands for energy storage applications. Recently, tremendous research efforts have been made in developing next-generation LIBs with enhanced electrochemical performance. In this review, we mainly focus on the recent progress of LIBs with high electrochemical performance from four aspects, including cathode materials, anode materials, electrolyte, and separators. We discuss not only the commercial electrode materials(LiCoO_2,LiFePO_4, LiMn_2O_4, LiNi_xMn_yCo_zO_2, LiNi_xCo_yAl_zO_2, and graphite) but also other promising next-generation materials such as Li-, Mn-rich layered oxides, organic cathode materials, Si, and Li metal. For each type of materials, we highlight their problems and corresponding strategies to enhance their electrochemical performance. Nowadays, one of the key challenges to construct high-performance LIBs is how to develop cathode materials with high capacity and working voltage. This review provides an overview and future perspectives to develop next-generation LIBs with high electrochemical performance.     

Copper-cobalt-nickel oxide nanowire arrays on copper foams as self-standing anode materials for lithium ion batteries

Numerous scientists are in the pursuit of energy storage materials with high energy and high power density by assembly of electrochemically active materials into conductive scaffolds, owing to the emerging need for next-generation energy storage devices. In this architectures, the active materials bonded to the conductive scaffold can provide a robust and free-standing structure, which is crucial to the fabrication of materials with high gravimetric capacity. Thus, hierarchical copper-cobalt-nickel ternary oxide (CuCoNi-oxide) nanowire arrays grown from copper foam were successfully fabricated as free-standing anode materials for lithium ion batteries (LIBs). CuCoNi-oxide nanowire arrays could provide more active sites owing to the hyperbranched structure, leading to a better specific capacity of 1191 mAh/g, cycle performance of 73% retention in comparison to CuO nanowire structure, which exhibited a specific capacity of 1029 mAh/g and capacity retention of 43%, respectively.     

高安全锂离子电池复合集流体的界面强化

面向高能量密度电池的高比容量三元正极材料的应用，使锂离子电池更容易发生热失控，这不仅降低了其安全性,也限制了锂离子电池的进一步发展。如何在提高能量密度的同时保证电池的安全性是亟待解决的问题。以绝缘高分子薄膜为支撑基材，两侧沉积金属层得到了具有夹芯结构的铝复合集流体能有效保证电池在针刺条件下的安全性，且更轻的复合集流体的使用能进一步提高电池能量密度。但高分子基材与铝金属层之间界面结合力较差，这会导致复合集流体在高温电解液浸泡中发生脱层现象，从而影响其在电池中的使用。本研究采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为支撑基材，通过在铝金属镀层与高分子基材之间引入氧化物中间层，有效地增强了金属与高分子基材之间的界面结合力，提升复合集流体的电解液兼容性。此外，复合集流体良好的机械性能使其能很好地兼容现有的电池制备技术，利用其制备的软包电池表现出与使用传统铝箔为集流体的电池相当的电化学性能。进一步的针刺测试表明，复合集流体能有效阻止锂电池在针刺过程中的热失控，显著改善了电池的安全性能。     

Fe2O3锂离子电池负极材料研究进展

Fe2O3锂离子电池负极材料因其具有的高能量密度而备受关注。但Fe2O3电极材料存在的如低导电性、充/放电过程中体积改变导致的循环稳定性差等问题限制其实际应用。介绍了高比表面积、结构稳定以及储锂动力学等因素对锂离子电池负极材料电化学性能的重要影响,综述电极活性材料纳米化、形貌控制和杂原子掺杂对Fe2O3负极材料电化学性能改善的相关研究进展,最后对Fe2O3电极材料的发展前景进行了展望。     

锂离子电池高电压正极粘结剂的研究进展

锂离子电池在高电压下会导致严重的电解液分解以及不稳定的正极与电解质界面问题,严重制约高电压正极材料的商业化.粘结剂不仅可以将正极活性材料和导电炭紧密粘结在集流体上,还对构建电解质与正极之间的多尺度相容性界面起积极作用,因此,粘结剂的优化可以有效解决上述难题.本文提出了高电压锂离子电池正极粘结剂需具备的必要条件,如:粘结性能和机械性能优异,具有出色的电化学稳定性和热力学稳定性以及良好的离子和电子传输能力等.综述了近些年来高电压正极粘结剂的研究及发展现状,通过天然粘结剂和合成粘结剂对目前已报道的高电压粘结剂进行了评述,介绍了各种粘结剂对电极的粘结性能和包覆以及对锂离子电池性能的影响机制,重点阐述了粘结剂分子结构中的极性基团与活性物质间的相互作用,如氢键和离子-偶极相互作用,并讨论了设计开发高电压正极粘结剂的途径以及展望了高电压正极粘结剂的发展前景.