高压实富镍正极材料LiNi0.85Co0.06Mn0.06Al0.03O2的制备

通过控制结晶法制备高密度类球形Ni_0.85Co_0.06Mn_0.06Al_0.03（OH）₂前驱体,与LiOH·H₂O均匀混合后,在820 ℃于氧气气氛下进行高温煅烧,最终合成高压实富镍正极材料LiNi_0.85Co_0.06Mn_0.06Al_0.03O₂。通过扫描电子显微镜（SEM）表征前驱体、正极材料及正极片的形貌;X射线衍射（XRD）表明材料具有良好的六方单相层状α-NaFeO₂结构,能谱仪（EDS）分析表明材料颗粒中各组分含量呈均匀分布。制备的LiNi_0.85Co_0.06Mn_0.06Al_0.03O₂正极材料具有良好的加工性能和很高的压实密度,极片压实密度达到了3.82 g·cm^-3。以该极片组装的模拟电池具有良好的电化学性能,尤其具有优异的倍率性能,在电压区间2.8~4.3 V和0.2C电流密度充放电条件下,首次放电比容量为211.7 mAh·g^-1,首次充放电效率88.9%,5C大倍率充放电条件下容量仍达到180.2 mAh·g^-1,循环200周容量保持率为80.4%。     

锂离子电池正极材料Li1.2Mn0.54-xNi0.13Co0.13ZrxO2的制备及电化学性能

为了改善富锂锰基正极材料Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂ 的循环性能,采用燃烧法合成了正极材料Li_1.2Mn_0.54-xNi_0.13Co_0.13Zr_xO₂（x=0.00,0.01,0.02,0.03,0.06）. 通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）对其结构与形貌进行了表征,利用恒电流充放电测试,循环伏安（CV）及电化学交流阻抗谱（EIS）技术对其电化学性能进行测试. 结果表明,Li_1.2Mn_0.54-xNi_0.13Co_0.13Zr_xO₂（x=0.00,0.01,0.02,0.03,0.06）正极材料均具有α-NaFeO₂型层状结构;在室温,2.0-4.8 V电压范围,以0.1C和1.0C（充放电电流以1.0C=180 mA·g^-1计算）倍率充放电进行测试,样品Li_1.2Mn_0.52Ni_0.13Co_0.13Zr_0.02O₂的首次放电比容量分别为280.3 和206.4 mAh·g^-1. 其中,在1.0C倍率下,100次循环后容量保持率由原来的73.2%提高到88.9%;以5.0C倍率充放电进行测试,经50次循环后,掺杂正极材料的放电比容量为76.5 mAh·g^-1,而未掺杂材料仅有15.0 mAh·g^-1. 在50、25 和-10 ℃,2.0C倍率条件下,掺杂正极材料的电化学性能均得到有效改善,其中,在- 10℃ 经过50 次循环后正极材料Li_1.2Mn_0.52Ni_0.13Co_0.13Zr_0.02O₂比未掺杂的正极材料相比,其放电比容量提高了61.1%.     

锂离子电池正极材料LiNi0.5Co0.4Al0.1O2的合成与性能

采用高温固相法制备了锂离子电池正极材料LiNi_0.5Co_0.4Al_0.1O₂,采用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)对材料的结构及表观形貌进行分析。通过恒电流充放电以及循环伏安法进行了电化学性能测试。测试结果表明,充放电电压在3~4.5V之间,在0.2C倍率下首次放电比容量达到159.9mAh·g^-1,经50次循环充放电后放电容量为142.6mAh·g^-1,表现出良好的电化学性能。     

锂离子电池正极材料LiNi0.5Co0.4Al0.1O2的合成与性能

采用高温固相法制备了锂离子电池正极材料LiNi_0.5Co_0.4Al_0.1O₂。采用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)对材料的结构及表观形貌进行分析。通过恒电流充放电以及循环伏安法进行了电化学性能测试。测试结果表明,充放电电压在3~4.5 V之间,在0.2C倍率下首次放电比容量达到159.9 mAh·g^-1,经50次循环充放电后放电容量为142.6 mAh·g^-1,表现出良好的电化学性能。     

煅烧时间对正极材料LiNi0.80Co0.15Al0.05O2浓度梯度结构及电化学性能的影响

将铝溶液按3种不同的流速连续注入,用联合共沉淀结晶控制法合成了具有核壳结构的Ni_0.80Co_0.15Al_0.05(OH)₂前驱体,即内核为均相组成的Ni_0.88Co_0.12(OH)₂,外壳为Ni、Co和Al含量呈连续变化的Ni_0.72Co_0.18Al0.10(OH)₂。将该前驱体与LiOH·H₂O混合均匀,在700℃的氧气气流下进行煅烧,通过控制煅烧时间使材料中Ni、Co和Al扩散形成含量呈连续梯度变化的且具有类球形形貌的LiNi_0.80Co_0.15Al_0.05O₂正极材料。梯度结构中Ni、Co和Al的分布情况直接影响材料的电化学性能和结构稳定性。当煅烧时间为12h时,从颗粒的核心到表面,Ni含量(原子分数)由0.855下降至0.732,Al含量由0.003增加至0.115,Co含量维持在0.142~0.163之间,而表面组成为LiNi_0.732Co_0.153Al_0.115O₂。此时材料具有良好完整的层状结构且Li⁺/Ni²⁺混排程度最低,在0.2C下的放电比容量为201.3mAh·g^-1,略低于均相LiNi_0.80Co_0.15Al_0.05O₂的放电比容量(205.8mAh·g^-1);以0.2C充电、1C放电循环200周后,其容量保留率为71.6%,优于均相组成的材料(54.6%)。这是因为镍含量低而铝、钴含量高(相对于均相材料)的外层可以有效抑制充放电循环过程中引起颗粒体积的各向异性变化,减少电极极化,从而减缓极片表面裂纹的生成和扩展,降低电池的电荷传递阻抗,从而提高循环稳定性和结构稳定性。该材料合成过程中只有在铝溶液流速切换时使pH值发生小幅度的波动,但很快恢复到稳定,可以保证前驱体具有良好的结晶性,使核壳结构易设计、控制;而后通过调控煅烧时间合成LiNi_0.80Co_0.15Al_0.05O₂,有利于进一步地精准设计材料的浓度梯度结构。     

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。     

葡萄糖对溶胶凝胶法制备Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2正极材料性能的影响

利用XRD、SEM、EDS、BET、激光粒度、循环伏安、恒流充放电、交流阻抗方法研究了葡萄糖为碳源对溶胶凝胶法制备Li_1.2Ni_0.13Co_0.13Mn_0.54O₂正极材料的结构、形貌以及电化学性能的影响。结果表明:与前驱体中未加入葡萄糖所制备的材料相比,掺葡萄糖后样品颗粒分布相对均匀,粒径变小,D₅₀从11.56减小至9.94μm,比表面积增加近1倍。经0.05C充放电活化后,未掺葡萄糖和掺葡萄糖样品0.2C放电比容量分别为183.4、211.6mAh·g^-1,2C容量分别为其0.2C的62.2%、77.6%。1C循环50次后放电比容量分别为133.3、173.6mAh·g^-1,容量保持率分别为95.1%、100%。掺葡萄糖可降低首次不可逆容量损失,提高材料的倍率性能与循环稳定性,减少电荷传递阻抗、Warburg阻抗以及双电层弥散效应,但不改变材料的晶型结构。     

CeO2表面修饰提高锂离子电池正极材料LiNi0.80Co0.15Al0.05O2的循环及存储性能

采用共沉淀法制备锂离子电池正极材料LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂。通过溶胶凝胶法对LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂材料进行表面修饰提高循环和存储性能,包覆后的材料经过600℃热处理4 h。测试结果显示,0.2C下,CeO₂包覆量为0.02%(物质的量比)时首次放电比容量为182.44 mAh·g^-1,与未包覆样品相比没有下降;同时包覆后拥有更优的容量保持率,在2.75~4.3 V,0.5C下,100次循环后容量保持达到85.96%。包覆CeO₂不仅可以阻止电极与电解液之间的副反应,而且高氧化性CeO₂包覆层可以提前与电解液反应,从而消耗电解液中痕量的水和HF,保护内部活性材料。     

煅烧时间对正极材料LiNi0.80Co0.15Al0.05O2浓度梯度结构及电化学性能的影响

将铝溶液按3种不同的流速连续注入,联合共沉淀结晶控制法合成了具有核壳结构的Ni_0.80Co_0.15Al_0.05(OH)₂前驱体,即内核为均相组成的Ni_0.88Co_0.12(OH)₂,外壳为Ni、Co和Al含量呈连续变化的Ni_0.72Co_0.18Al_0.10(OH)₂。将该前驱体与LiOH·H₂O混合均匀,在700℃的氧气气流下进行煅烧,通过控制煅烧时间使材料中Ni、Co和Al扩散形成含量呈连续梯度变化的且具有类球形形貌的LiNi_0.80Co_0.15Al_0.05O₂正极材料。梯度结构中Ni、Co和Al的分布情况直接影响材料的电化学性能和结构稳定性。当煅烧时间为12 h时,从颗粒的核心到表面,Ni含量(原子分数)由0.855下降至0.732,Al含量由0.003增加至0.115,Co含量维持在0.142~0.163之间,而表面组成为LiNi_0.732Co_0.153Al_0.115O₂。此时材料具有良好完整的层状结构且Li⁺/Ni²⁺混排程度最低,在0.2C下的放电比容量为201.3 mAh·g^-1,略低于均相LiNi_0.80Co_0.15Al_0.05O₂的放电比容量(205.8 mAh·g^-1);以0.2C充电、1C放电循环200周后,其容量保留率为71.6%,优于均相组成的材料(54.6%)。这是因为镍含量低而铝、钴含量高(相对于均相材料)的外层可以有效抑制充放电循环过程中引起颗粒体积的各向异性变化,减少电极极化,从而减缓极片表面裂纹的生成和扩展,降低电池的电荷传递阻抗,从而提高循环稳定性和结构稳定性。该材料合成过程中只有在铝溶液流速切换时使pH值发生小幅度的波动,但很快恢复到稳定,可以保证前驱体具有良好的结晶性,使核壳结构易设计、控制;而后通过调控煅烧时间合成LiNi_0.80Co_0.15Al_0.05O₂,有利于进一步地精准设计材料的浓度梯度结构。     

Ni-Mn共掺杂高电压钴酸锂锂离子电池正极材料

以金属硫酸盐为原料,NaOH和NH₃·H₂O为沉淀剂,用共沉淀法合成了Co_0.9Ni_0.05Mn_0.05(OH)前驱体,再进行配锂并通过高温固相法合成了Ni-Mn共掺杂高电压钴酸锂锂离子电池正极材料Li(Co_0.9Ni_0.05Mn_0.05)O₂。用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、 循环伏安(C-V)、交流阻抗(EIS)和充放电测试研究样品的晶体结构、形貌和电化学性能。结果表明Ni-Mn共掺杂正极材料Li(Co_0.9Ni_0.05Mn_0.05)O₂有优秀的电化学性能:在3.0~4.4 V和3.0~4.5 V区间,0.5C倍率下首次放电比容量分别为162 mAh·g^-1和187 mAh·g^-1,循环100次后容量保持率分别为94%和94%。     

Preparation and performance comparison of LiMn2O3.95Br0.05 and LiMn2O3.95Br0.05/SiO2 cathode materials for lithium-ion battery

LiMn₂O_3.95Br_0.05 and LiMn₂O_3.95Br_0.05/SiO₂ cathode composites for lithium-ion battery are prepared by solid-state reaction methods. The crystalline structures of the as-synthesized samples are investigated by X-ray diffraction and transmission electron microscope; at the same time, the electrochemical performances are tested by cyclic voltammetry and galvanostatic cycling. The results reveal that the sample of LiMn₂O_3.95Br_0.05/SiO₂ has more excellent electrochemical performance than the sample of LiMn₂O_3.95Br_0.05. It delivers an initial discharge capacity of 145.3 mA h g⁻¹ at ambient temperature, and 138.9 mA h g⁻¹ at the higher temperature of 55 °C with good capacity retention with the voltage range of 3.0–4.35 V (vs. Li) at a current density of 0.5 C; while the sample of LiMn₂O_3.95Br_0.05 only deliver initial discharge capacity 136.5 mA h g⁻¹ at ambient temperature, and 119.2 mA h g⁻¹ at 55 °C in the same conditions; in addition, the rate performance of LiMn₂O_3.95Br_0.05/SiO₂ is excellent too, so the SiO₂ layer has improved the electrochemical behaviors of LiMn₂O_3.95Br_0.05 availably.     

Zr掺杂对正极材料Li(Ni0.9Co0.05Al0.05)O2的电化学性能影响

通过控制结晶法制备类球形Ni_(0.9)Co_(0.05)Al_(0.03)Zr_(0.02)(OH))2前驱体,与LiOH·H_2O均匀混合后,在750℃下于氧气中进行高温焙烧,最终合成正极材料Li(Ni_(0.9)Co_(0.05)Al_(0.05))O_2。扫描电子显微镜(SEM)结果显示前驱体及正极材料具有良好的形貌;X射线衍射(XRD)表明材料具有规整的六方单相层状α-Na FeO_2结构;能谱仪(EDXS)分析表明Zr元素在材料颗粒内部呈均匀分布。合成的Ni_(0.9)Co_(0.05)Al_(0.03)Zr_(0.02)O_2正极材料具有良好的电化学性能,在25℃,2.8~4.3 V充放电条件下,0.2C首次放电比容量为221.5 m Ah·g-1,充放电效率90.3%,2C倍率充放电条件下容量仍达到192.7 m Ah·g-1,100周循环后的容量保持率为92.2%。在55℃,2.8~4.3 V的高温充放电条件下,该材料的0.2C首次放电比容量可达236.2 m Ah·g-1,2C充放电倍率下循环100周容量保持率为85.1%。     

LiNi0.8Co0.15Al0.05O2正极材料的FePO4包覆改性

使用液相包覆工艺对LiNi_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)O_2(NCA)材料进行FePO_4包覆改性,利用FePO_4优异的结构稳定性与热稳定性,对NCA的长期可靠性与安全性能进行改良。重点研究FePO_4包覆对NCA材料的改性效果,以及不同包覆量造成的NCA材料电化学性能差异。表面包覆的FePO_4保护层,能够防止NCA材料与电解液直接接触发生副反应,抑制长期循环过程中过渡金属离子的溶出,保持结构的长期稳定性。当包覆量为1.0%(w/w)时,NCA材料表现出最优的综合性能,充放电循环800次后,容量保持率依然高达95%,25℃下存储100 d后,容量保持率也高于95%,达到了兼顾能量密度、使用寿命及安全性能的理想效果。     

Electrochemical properties and synthesis of LiAl0.05Mn1.95O3.95F0.05 by a solution-based gel method for lithium secondary battery

The cathode materials, LiMn₂O₄, LiAl_0.05Mn_1.95O₄ and LiAl_0.05Mn_1.95O_3.95F_0.05 were firstly prepared by a simple solution-based gel method using the mixture of acetate and ethanol as the chelating agent. The synthesized samples were investigated by X-ray diffraction, scanning electronic microscope and differential and thermal analysis. The as-prepared powders were used as positive materials for lithium-ion battery, whose discharge capacity and cycle voltammogram properties were examined. The results revealed that LiAl_0.05Mn_1.95O_3.95F_0.05 synthesized by the solution-based gel method had higher initial capacity than LiAl_0.05Mn_1.95O₄ and better capacity retention rate (92%) than that of LiAl_0.05Mn_1.95O₄ and LiMn₂O₄, which revealed that Al and F dual-doped LiMn₂O₄ could gain better electrochemical properties of LiMn₂O₄ than only the Al-doped LiMn₂O₄.     

铪掺杂对锆钛酸钡钙陶瓷电学性能的调控

用固相反应法制备了B位Hf掺杂的Ba_0.95Ca_0.05 Zr_0.05Ti_0.95-xHf_x (BCZ_0.05T_(0.95-x)-xH) (x=0、0.02、0.04、0.06和0.08)陶瓷。研究B位同时含有Hf、Zr、Ti三种元素时,BCZ_0.05T_(0.95-x)-xH陶瓷的相结构变化与电学性能的差异。XRD测试结果表明：Hf₄₊^融入晶格,造成晶格膨胀。BCZ_0.05T_(0.95-x)-xH(x=0、0.02)陶瓷的XRD测试结果表明,该体系中存在明显的四方相与正交相共存的多晶型相转变(PPT),但正交相逐渐转变为主晶相;BCZ_0.05T_(0.95-x)-xH (x=0.04、0.06)陶瓷的XRD结果表明,四方相进一步减少,三方相却逐渐增加;当x继续增大到0.08时,XRD测试发现该体系只存在正交相和三方相结构。SEM测试发现,随着Hf的掺杂量增加,晶粒尺寸逐渐减小。剩余极化随Hf掺杂量的增加先增大再减小,在x为0.02时取得最大值,Hf掺杂显著降低矫顽场(Ec)。压电测试结果表明BCZ_0.05T_0.96-0.04H陶瓷具有最大压电系数(d₃₃=259 pC/N)。     

SO2对La0.8K0.2Cu0.05Mn0.95O3钙钛矿催化剂氧化碳烟的影响

采用柠檬酸配位法制备K、Cu掺杂的Lu0.8K0.2Cu0.05Mn0.95O3钙钛矿催化剂,运用程序升温氧化(TPO)考察在不同浓度SO2气氛下La0.8K0.2Cu0.05Mn0.95O3催化剂催化氧化模拟碳黑的性能,并用XRD、FFIR和XPS等进行表征.结果表明,催化剂在0～0.1%的SO2气氛中呈现出不同活性,φSO2≤0.05%的气氛可促进催化剂催化氧化碳黑的活性,当φSO2=0303%,催化剂活性最高;引入φSO2≥0.06%时催化剂活性明显下降.XPS说明表面活性氧的增加是低浓度的SO2促进催化活性的原因,同时XRD、FTIR结果表明高浓度的SO2所产生的大量SO42-是抑制催化剂活性的原因.     

表面活性剂对LiNi0.80Co0.15Al0.05O2的结构和性能影响

在共沉淀过程中添加表面活性剂聚乙二醇(PEG)或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)分别合成类球形Ni_(0.80)Co_(0.15)Al_(0.05)(OH)_2前驱体,再与氢氧化锂(LiOH·H_2O)氧化煅烧得到LiNi_(0.80)Co_(0.15)Al_(0.05)O_2(NCA)三元正极材料。利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、循环伏安(CV)、交流阻抗(EIS)和充放电循环测试等对材料的结构、形貌、电化学性能等进行表征。结果表明:PEG和PVP的添加不影响材料中Ni、Co和Al元素的比例,能够促进一次晶粒长大和提高振实密度,能够促进正极材料层状结构发育进而提高正极材料的电化学性能。添加PEG、添加PVP和未添加表面活性剂合成正极材料的振实密度分别为2.07、1.86和1.40 g·cm~(-3),在0.2C充放电过程中首次放电比容量分别为210.8、188.9和173.0 mAh·g~(-1),以0.2C充电1C放电循环100次后电池容量保持率分别为78.8%、93.2%和82.7%,添加PEG和PVP的NCA材料表现出良好的电化学性能。     

LiNi0.05Mn1.95O4的合成及其对Li+的离子交换热力学

以乙酸锂、乙酸锰和乙酸镍为原料, 采用溶胶-凝胶法合成出掺镍的尖晶石型锂锰氧化物LiNi0.05Mn1.95O4. 用0.5 mol·L-1的过硫酸铵对其进行酸改性后制得锂离子筛(记作LiNiMn-H). 经测定LiNi0.05Mn1.95O4在酸改性过程中Mn2+的溶出率仅为0.31%(w, 质量分数), LiNiMn-H对锂离子的饱和交换容量达5.29 mmol (36.72 mg) Li+/g 离子筛. 测定了15、25、35、45 ℃ LiNiMn-H 在H+-Li+体系吸附锂的离子交换等温线, 并利用Pitzer 电解质溶液理论计算出该离子交换体系的活度系数, 得到H+-Li+交换的平衡常数Ka, △Gm、△Hm和△Sm等热力学参数. 结果表明, Ka随温度的升高而降低, LiNiMn-H对Li+的选择性大于原来可交换阳离子(H+)的选择性, 吸附锂的过程是自发过程(△Gm<0), 该离子交换反应是放热反应.     

富锂掺杂Li1.06Co0.05Cr0.1Mn1.85O4的合成及电化学性能研究

锂离子电池具有比能量高、功率大、使用寿命长、无记忆效应、性能价格比高等优点,从而成为可充式电源的主要选择对象.锰由于资源丰富、价廉、环境友好等优点,使锰酸锂(LiMn2O4)成为最有希望取代钴酸锂的正极材料.但锰酸锂的放电容量相对较低,结构欠稳定,容量衰减严重,作为正极材料还无法与钴酸锂相比,近年来做了大量的研究工作以改善它的电化学性能[1～6].最近Youngjoon Shin等研究发现[7]用少量的Li与Ni共同替代LiMn2O4中的Mn得到的LiMn2-2yLiyNiyO4的电化学性能要优于单元素替代的LiMn2-xMxO4(M=Li,Cr,Fe,Co,Ni)的电化学性能.     

LiNi0.05Mn1.95O4的合成及对Li+的离子交换动力学

用溶胶-凝胶法合成出尖晶石结构的LiNi0.05Mn1.95O4,用0.5 mol·L-1过硫酸铵对其进行改型,制得锂离子筛LiNiMn-H.LiNiMn-H对Li+的饱和交换容量达5.2 mmol·g-1.用缩核模型(Shrinking-Core Model)处理该离子交换的反应动力学数据得到LiNiMn-H吸附Li+时离子交换反应的控制步骤是颗粒扩散控制(PDC),同时得到了该实验条件下锂离子筛LiNiMn-H吸附Li+的动力学方程和颗粒扩散系数De.