前驱体对三元正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2性能的影响

目前,工业产品的三元正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2通常使用间接共沉淀和高温固相烧结相结合的方法.共沉淀制得的氢氧化镍钴锰前驱体,其形貌和粒径分布等直接影响着三元材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的性能.使用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)表征和观察材料晶体结构和表面形貌,并测试粒径分布、振实密度和电化学性能,考察三种前驱体对制得的三元材料的影响.研究结果表明,前驱体的粒径分布直接影响材料的物理性能,表面有大量微孔而又致密的球形是较理想的前驱体形貌;焙烧后可得到结晶度高的材料,0.2C全电池放电比容量达到156.4 mAh·g-1,循环寿命优异,300周期循环其容量基本不衰减,500周期循环后容量保持率高达92%.     

锂离子电池正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的合成及其高温容量衰减研究

采用共沉淀-高温固相烧结法合成了富镍型三元复合正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2.恒流充放电测试表明,材料在3.0～4.4 V下0.2C放电容量达到179.2 mAh.g-1,但在55℃下经历100次充放电循环后发生急剧的容量衰减.电化学交流阻抗谱、X射线光电子能谱和原子发射光谱等实验表明,在高温高电压下,电解液与LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2电极材料之间的副反应加剧,导致过渡金属原子溶出,该材料局域结构被破坏.同时,电极材料表面还沉积了高阻抗的LiF/MFx层,使得在电极的充放电过程中电荷转移阻抗和Li+扩散阻抗不断增加,以致电池容量急剧衰减.     

富锂正极材料Li[Li0.2Mn0.4Fe0.4]O2的表面包覆改性

用共沉淀法合成了富锂正极材料Li[Li0.2Mn0.4Fe0.4]O2,并对其表面进行Al2O3包覆。采用XRD、SEM和电化学测试等方法对样品进行表征。结果表明,与Li[Li0.2Mn0.4Fe0.4]O2相比,包覆改性后的Li[Li0.2Mn0.4Fe0.4]O2具有较好的电化学性能,其初始放电容量未明显降低,而循环寿命大大提高,4.0%Al2O3包覆处理的富锂正极材料经50次充放电循环后,容量衰减量在9%左右。     

ZrO2包覆高镍LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极材料提高其循环稳定性的作用机理

高镍三元材料作为一种锂离子电池正极材料,因其较高的放电比容量而得到科学界和工业界的广泛关注。研究表明,高镍三元材料的比容量与材料中的Ni含量呈正相关,但Ni含量的增加也会加剧循环过程中的界面副反应,材料表面释氧以及结构转变等问题。本文采用ZrO₂包覆LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂材料,利用X射线衍射证明,在高温处理下ZrO₂包覆物中的Zr⁴⁺会掺杂进LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂材料表面晶格中,使得X射线衍射谱中的(003)衍射峰左移。电化学测试证明在4.3和4.5 V的截止电压下,改性最优的材料在1C循环100周后容量保持率分别从84.89%和75.60%提高到97.61%和81.37%,同时发现循环稳定性的提升主要来自材料表面的Zr⁴⁺掺杂。X射线光电子能谱证明Zr⁴⁺表层掺杂后材料的Ni化合价由Ni3+向Ni²⁺转变,透射电子显微镜观察到Zr⁴⁺的表层掺杂使得材料表面的层状结构发生重构,从而稳定了材料体相结构,提高了材料整体的循环稳定性。     

锂离子电池正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的研究现状

介绍了LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的晶体结构及电化学反应特性,并从LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的制备方法、离子掺杂及表面包覆等方面对其研究现状进行了综述。LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2相对于LiCoO2而言具有较高的热稳定性、放电比容量及循环性能,是一种较理想的锂离子电池正极材料,但是其高温及大电流环境下的循环及倍率性能仍然有待改进。     

锂离子电池正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的制备及其电化学性能

以Ni1/3Co1/3Mn1/3(OH)2(2)和Li2CO3为原料,在空气气氛中,经过高温热处理工艺制备了高结晶度的锂离子电池正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(1)。正交试验确定最佳工艺条件为:2 0.3 mol,n(Li):n(2)=1.2,于950℃反应13 h。电化学性能研究结果表明,在2.7 V～4.6 V,电流密度16 mA.g-1时,1的首次放电比容量为203.4 mAh.g-1;经16 mA.g-1循环2次,32 mA.g-1循环9次,80 mA.g-1循环20次后放电比容量为164.1 mAh.g-1。     

AlF3包覆对Li1.2Mn0.534Ni0.133Co0.133O2正极材料电化学性能的影响

通过共沉淀法制备锂离子电池富锂锰基正极材料Li1.2Mn0.534Ni0.133Co0.133O2,并对其进行AlF3包覆。实验结果表明,通过AlF3包覆,材料的电化学性能得到明显提高。在0.2C下,包覆前材料的首次放电比容量为253 mAh.g-1,首次充放电效率仅为88.8%。经过AlF3包覆,材料的首次放电比容量提高到294 mAh.g-1,首次充放电效率高达96.4%。同样,在1.0C下循环50次,未包覆材料的放电比容量由225 mAh.g-1降到185 mAh.g-1,容量保持率仅为82.2%。经过AlF3包覆,材料的放电比容量由230mAh.g-1仅降为222 mAh.g-1,容量保持率高达96.5%。     

高容量锂离子电池正极材料LiNi0.9Co0.05Mn0.025Mg0.025O2的合成及电化学性能

以β-Ni0.9Co0.05Mn0.025Mg0.025(OH)2和LiOH.H2O为原料通过高温固相法合成了球形LiNi0.9Co0.05Mn0.025Mg0.025O2。采用热重-差热分析了反应过程,采用X射线衍射和扫描电镜对粉末的结构和形貌进行了表征。采用充放电测试和循环伏安测试对材料电化学性能进行了研究。结果表明:750℃煅烧12 h合成的LiNi0.9Co0.05Mn0.025Mg0.025O2为Li原子混排较少的良好层状结构,二次颗粒尺寸在15μm左右,且具有最高的放电比容量和良好的循环性能,在0.2C,2.8~4.3 V的条件下,首次放电比容量达207 mAh.g-1,40次循环后容量保持率为92.5%。     

固相反应法制备α-LiAlO2包覆LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2的电化学性能研究

以提高锂离子电池正极材料LiNi_0.4Co_0.2Mn_0.4O₂的循环性能为目的,以LiNO₃和Al(OH)₃为原料,采用固相反应法制备了α-LiAlO₂包覆LiNi_0.4Co_0.2Mn_0.4O₂正极材料。微观组织结构分析结果表明,包覆热处理后LiNi_0.4Co_0.2Mn_0.4O₂颗粒表面形成了一层不均匀絮状包覆物α-LiAlO₂。电化学测试表明,α-LiAlO₂包覆处理有效减缓了充放电循环过程中总阻抗的增加,改善了材料的循环性能。3wt% LiAlO₂包覆的正极材料在室温1C充放电循环100次后,平均每次衰减率由包覆前的0.19%下降到0.14%。     

xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x=0.1、0.2、0.3和0.4)固溶体材料性能研究

通过LiNO3与Mn(NO3)2的混合溶液与LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2粉体共混干燥后在900℃热处理12 h制备了xLi2MnO3.(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x=0.1、0.2、0.3和0.4)固溶体。随着x的增加,固溶体的XRD峰强度减弱,峰形变宽,而在20°~30°间的结构特征峰(LiMn6)更加明显;尽管固溶体的外观形貌为团聚状,但组成其的单颗粒平均粒径随着x增大,由x=0.1时的250 nm增大到x=0.4时的350 nm。随着充放电截止电压的升高,固溶体的放电比容量增大;在2.5~4.6 V间充放电,当x=0.2时,充放电的极化最小,放电平台最高;不同倍率充放电循环21周后发现随着x的增大,容量保持率从91.2%增加大105.6%。研究结果表明,Li2MnO3可以改善LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料的电化学性能。     

Structure Evolution and Electrochemical Performance of Al2O3-coated LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2 During Charge-discharge Cycling

Several lithium-ion batteries of 18650-type were assembled with pristine or Al₂O₃-coated LiNi_0.4Co_0.2Mn_0.4O₂(NCM) as cathode material and mesocarbon microbeads(MCMB) as anode material. The cycling performance of the batteries was examined under 25℃ at a 2C rate within a potential range of 2.75-4.20 V. The changes of the crystal structure, the lattice parameter, the mean crystallite size, and the mean micro-strain of pristine NCM and Al₂O₃-coated NCM during the charge-discharge cycling were determined by X-ray diffraction(XRD). The results indicate that the bulk structure of Al₂O₃-coated NCM is more stable than that of pristine NCM, which leads to the better cycling performance of Al₂O₃-coated NCM compared to that of pristine NCM.     

ZnO包覆LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的表面结构和电化学性能

在LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂正极材料表面包覆ZnO,通过X射线衍射（XRD）和光电子能谱（XPS）分析包覆层对正极材料表面状态的改变,并考察了改性后材料的放电容量、首次不可逆容量等电化学性能变化. 结果表明：ZnO主要存在于材料表面并影响着材料表面组成和电化学性质,材料表面镍和锰的含量随着包覆量的增加而增大;400 ^oC热处理可使过渡金属与锌在材料表面形成复合氧化物,过渡金属的结合能增大;包覆2%（by mass,下同）的ZnO可有效抑制55 ^oC下充放电时3.6 V附近的不可逆反应,提高了材料的首次库仑效率;包覆2% ZnO的电池材料在55 ^oC/0.5C的放电比容量和循环寿命最佳.     

阻燃剂对镍钴锰三元材料体系电化学性能的影响

测试了不同浓度的电解液阻燃添加剂对镍钴锰三元材料（LiNi_0.4Co_0.2Mn_0.4O₂）作为正极的锂离子电池电化学性能的影响. 实验结果表明,当阻燃剂浓度增加时,电池的放电容量下降,电化学反应电阻和锂离子扩散阻力都有所增加,但加入阻燃添加剂的锂离子电池,当充放电的电流相对比较小的时候,循环性能相比于不含阻燃剂的有所提高,循环稳定性得到了改善. 在0.5C倍率电流下,不含阻燃剂时容量保持率为89%,而当阻燃剂含量增至10%后保持率达到94.21%. 当充放电电流为1C时,未使用阻燃剂时容量保持率约为92.22%,当阻燃剂的浓度为10%时容量保持率为93.01%. 在2C倍率下,不含阻燃剂时容量保持率为87.92%. 阻燃剂浓度为10%时,容量保持率有所提升,达到92.16%. 与基础电解液相比,选用含有10%阻燃剂的电解液可使容量保持率提高5%左右,相比于其他浓度,包含10%阻燃剂的电池循环性能也最为稳定.     

XPS study on the STOBA coverage on Li(Ni0.4Co0.2Mn0.4)O2 oxide in pristine electrodes

The additive of self‐terminated oligomers with hyper‐branched architecture (STOBA) in Li(Ni_0.4Co_0.2Mn_0.4)O₂ (LNCM) cathodes of lithium ion batteries improves the battery stability and capacity. In this study, the surface chemistry of pristine LNCM electrodes with and without the STOBA additive was analyzed by means of X‐ray photoelectron spectroscopy and the surface morphology was observed by scanning electron microscopy. It was found that STOBA covers LNCM particles uniformly and the formation of chemical bonding between nitrogen atoms in STOBA and metallic atoms in LNCM was discovered. This bonding may cause the uniform coverage of STOBA on LNCM. The formation of STOBA layer on LNCM improves the coverage of the binder poly(vinylidene fluoride) and inhibits the formation of LiF.     

高首效富镍正极材料LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2的合成及电化学性能研究

采用共沉淀-高温固相烧结的方法合成了富镍正极材料LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂(简称NCM622),通过X射线粉末衍射（XRD）/Rietveld精修法、扫描电子显微镜（SEM）及电化学测试,对不同温度下合成材料的结构、形貌、电化学性能进行表征. 结果表明,800℃下,NCM622阳离子混排程度最低(~1.97%),首圈库伦效率高达92.2%,100圈容量保持率为81.4%.     

锂离子电池正极材料LiNi0.8Co0.2O2和LiNi0.95Ce0.05O2制备工艺优化

通过L9(34)拉丁正交实验, 利用极差分析法对制备LiNi0.8Co0.2O2的反应条件进行优化, 找出了合成LiNi0.8Co0.2O2的最佳工艺, 固相分段法制备LiNi0.8Co0.2O2的过程中, 反应物摩尔比、氧气压力、恒温时间及最终合成温度依次为主要影响因素.尝试把氧气压力作为独立因素进行考察, 进一步优化了合成工艺. 采用同样方法尝试研究了添加Ce合成了电化学活性较高LiNi0.95Ce0.05O2派生物正极材料. 实验电池电化学测试表明LiNi0.8Co0.2O2和LiNi0.95Ce0.05O2初始放电比容量分别为165, 148 mAh·g-1, 放电平台均在9 h以上.     

CoAl2O4包覆LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的电化学性能

通过共沉淀法制得类球形锂离子电池正极材料LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂,并用非水相共沉法对其进行CoAl₂O₄包覆得到LNCMO(x). 采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微术（SEM）和透射电子显微术（TEM）测试材料的结构和观察材料形貌. 结果表明,CoAl₂O₄在材料表面形成8 nm均匀包覆层,未改变主体材料的结构. 电化学性能测试表明,1%（by mass）CoAl₂O₄包覆量的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料（LNCMO(1)）高充电电压（3.0 ~ 4.6 V,150 mA·g^-1）100周期循环放电容量保持率为93.7%（无包覆LNCMO(0)保持率为74.4%）;55 °C高温100周期循环容量保持率为77%（无包覆LNCMO(0)保持率17%）. XRD和电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）测试表明,CoAl₂O₄包覆的LNCMO(x)材料可有效地减缓材料中Mn离子在电解液的溶解,提高材料结构稳定性和热稳定性.     

锆掺杂以提升LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料的高温电化学性能

为解决LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂正极材料在高温下循环性能差的问题,本文通过固相法对材料进行锆掺杂改性,研究了不同掺杂量对LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂晶体结构和电化学性能的影响。研究表明,当锆掺杂量为1% (x)时,可以降低LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂结构中的Li⁺/Ni²⁺离子混排,有助于材料电化学性能的提高,尤其是高温循环性能。在25 ℃、3.0-4.3 V下, Li(Ni_0.5Co_0.2Mn_0.3)_0.99Zr_0.01O₂在1C循环95次后容量保持率为92.13%,优于未掺杂样品(87.61%)。在55 ℃下, Li(Ni_0.5Co_0.2Mn_0.3)_0.99Zr_0.01O₂在1C循环115次后容量保持率仍有82.96%,远高于未掺杂样品(67.63%)。因此,少量锆掺杂对提升LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂的高温循环性能有积极作用。     

Thermal Behavior Investigation of LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2-Based Li-ion Battery under Overcharged Test

Thermal behavior of its components such as separator, electrolyte, cathode, anode, and each binder were investigated by differential scanning calorimetry and thermal gravimetric (DSC/TG) to explain thermal runaway mechanism of Li‐ion battery under overcharged test. DSC results indicated the decomposition reaction temperature of SEI (solid electrolyte interface) layer in anode was at about 126°C. It was found that heat generation in anode under normal charged state increased obviously with the increasing of charged voltage. When the battery was overcharged to 4.6 V or 5.0 V, the onset temperature and heat generation of thermal reaction in anode changed a little, while those in cathode had large increase. It was proposed that thermal behavior in cathode mainly caused by the reaction of electrolyte with evolutional oxygen played a key role to thermal runaway for the studied Li‐ion battery under overcharged test.