层状Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2正极材料的合成与电化学性能研究

采用共沉淀-喷雾造粒法制备前驱体, 于750 ℃在空气中煅烧20 h合成出层状Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)O₂正极材料, 并用XRD, SEM, 粒度分析和电性能测试考察了所得材料结构、形貌及电化学性能. 本层状Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)O₂正极材料具有α-NaFeO₂结构, 六方晶系, R3m空间群, 其晶胞参数为a＝0.2865 nm, c＝1.4238 nm. 当材料分别在2.8～4.2, 2.8～4.5 V间进行充放电时, 其首次放电容量分别为173.5和185.4 mAh•g^－1, 首次充放电效率分别为90%和83.8%, 40次循环后容量保持率分别为96%和84%.     

高密度非球形和球形LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2的合成和性能比较

利用二次干燥法和共沉淀法分别制备出了非球形的Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3OOH前驱体和球形Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3(OH)₂前驱体, 并分别和LiNO₃混合烧结合成高密度非球形和球形的锂离子正极材料Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)O₂. XPS分析表明, 二次干燥法制备的非球形Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3OOH前驱体其过渡金属Ni, Co和Mn的价态分别是＋2, ＋3和＋4, 而共沉淀法制备的球形Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3(OH)₂前驱体其各金属价态为＋2; X射线衍射分析表明, 非球形的Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3OOH前驱体比球形的前驱体具有较高的活性, 能够在低温下合成出Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)O₂, 而且制备的产物结晶度高, 具有规整的层状α-NaFeO₂结构, 扫描电镜显示制备的非球形产物颗粒均匀, 颗粒间隙小, 振实密度高达2.95 g•cm^－3, 远高于球形的振实密度2.35 g•cm^－3; 充放电实验表明, 由非球形前驱体制备的Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)O₂其充放电性能和循环性能以及体积比容量均高于球形正极材料.     

高密度非球形和球形LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2的合成和性能比较

利用二次干燥法和共沉淀法分别制备出了非球形的Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3OOH前驱体和球形Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3(OH)₂前驱体, 并分别和LiNO₃混合烧结合成高密度非球形和球形的锂离子正极材料Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)O₂. XPS分析表明, 二次干燥法制备的非球形Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3OOH前驱体其过渡金属Ni, Co和Mn的价态分别是＋2, ＋3和＋4, 而共沉淀法制备的球形Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3(OH)₂前驱体其各金属价态为＋2; X射线衍射分析表明, 非球形的Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3OOH前驱体比球形的前驱体具有较高的活性, 能够在低温下合成出Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)O₂, 而且制备的产物结晶度高, 具有规整的层状α-NaFeO₂结构, 扫描电镜显示制备的非球形产物颗粒均匀, 颗粒间隙小, 振实密度高达2.95 g•cm^－3, 远高于球形的振实密度2.35 g•cm^－3; 充放电实验表明, 由非球形前驱体制备的Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)O₂其充放电性能和循环性能以及体积比容量均高于球形正极材料.     

高温固相法合成LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2及其性能研究

采用高温固相法合成出层状锂离子电池正极材料LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂。通过XRD、ICP、SEM和电化学测试手段对产物的结构、组成、形貌及电化学性能进行了研究。XRD结果表明此方法合成的LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂具有标准的α-NaFeO₂型层状结构，SEM照片显示颗粒粒径大约在500 nm左右，粒径分布较窄。以20 mA·g^-1电流密度放电，充放电电压在2.8～4.4 V之间，其首次放电比容量为170 mAh·g^-1，40次循环容量保持率为85.3%。进一步加入石墨导电剂后，同样条件下首次放电比容量变为179 mAh·g^-1，50次循环容量保持率为89.6%。容量衰减主要发生在前10次循环。XRD和SEM测试表明循环初期容量衰减的原因是由材料本体结构变化和界面反应共同作用的结果。     

溶胶凝胶-软模板法制备LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料及其电化学性能研究

在溶胶凝胶法中引入了软模板十二烷基磺酸钠(SDS)制备了LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂正极材料。采用X射线衍射法(XRD),扫描电镜法(SEM),循环伏安法(CV),交流阻抗法(EIS)及充放电测试等手段对材料进行了表征。结果表明,在750 ℃下煅烧12 h加入或不加SDS都能得到结晶较好具有六方层状α-NaFeO₂结构的LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂。SEM显示引入SDS辅助制备的目标材料颗粒细小,约60～300 nm,分散均匀,部分颗粒呈类球状形貌。而没有添加表面活性剂制备的材料粒径范围约250～600 nm,并且部分颗粒有团聚现象。在2.8～4.3 V(vs Li/Li⁺),0.5C倍率下,SDS辅助制备和没有添加表面活性剂制备的材料首次放电比容量分别为136.8、123.4 mAh·g^-1,50次循环后容量保持率分别为90.3%,73.8%。2C和5C下的充放电测试结果都显示SDS的加入能有效改善材料的倍率性能。归因于颗粒更细小,分散更均匀及较小的晶胞体积,SDS辅助制备的材料电荷传递阻抗远小于无表面活性剂辅助制备的材料是其倍率性能得到明显提高的重要原因。     

层状LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2正极材料的合成及电化学性能研究

采用液相法在800 ℃空气中烧结20 h合成出层状LiCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂正极材料。通过XRD、IR、SEM、XPS和电化学性能测试考察了产物的组成、结构、形貌及电化学性能。结果表明，所合成的LiCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂为六方单相，层状结构发育完善；产物呈球形且粒度小，分布窄，平均粒径为0.3 μm。以1 mA·cm^-2的电流密度，在2.7～4.3 V区间进行充放电测试，前4周的充放电比容量分别为168/160 mAh·g^-1、169/162 mAh·g^-1、165/160 mAh·g^-1、163/158 mAh·g^-1，循环性能优良。循环伏安实验表明，该材料在3.9 V附近出现了一对对称性好的氧化还原峰。     

锌掺杂提高LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料的电化学稳定性

通过共沉淀法与固相法相结合制备了掺锌的高稳定性Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)_1-xZn_xO₂ (x=0, 0.02, 0.05)正极材料. 循环伏安(CV)曲线表明Zn掺杂使氧化峰与还原峰的电势差减小到0.09 V, 电化学阻抗谱(EIS)曲线表明Zn掺杂使电极的阻抗从266 Ω减小到102 Ω. Li⁺嵌入扩散系数从1.20×10^-11 cm²·s^-1增大到 2.54×10^-11 cm²·s^-1. Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)_0.98Zn_0.02O₂正极材料以0.3C充放电在较高的截止电压(4.6 V)下比其他两种材料的电化学循环性能更稳定, 其第二周的放电比容量为176.2 mAh·g^-1, 循环100周后容量几乎没衰减; 高温(55 °C)下充放电循环100周, 其放电比容量平均每周仅衰减0.20%, 远小于其他两种正极材料(LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂平均每周衰减0.54%; Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)_0.95Zn_0.05O₂平均每周衰减0.38%). Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)_0.98Zn_0.02O₂正极材料以3C充放电时其放电比容量可达142 mAh·g^-1, 高于其他两种正极材料. 电化学稳定性的提高归因于Zn掺杂后减小了电极的极化和阻抗, 增大了锂离子扩散系数.     

层状正极材料LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2的结构及电化学行为

采用溶胶-凝胶方法制备了正极材料LiNi_0.5Co_0.25Mn_0.25O₂。XRD、XPS测试结果表明：LiNi_0.5Co_0.25Mn_0.25O₂中阳离子排列有序度较高，层状结构明显；Co、Mn分别以+3、+4价形式存在，Ni以+2、+3价形式存在，且Ni²⁺与Ni³⁺的含量之比约为1∶1。SEM测试结果表明：正极材料LiNi_0.5Co_0.25Mn_0.25O₂结晶粒径较均匀。充放电测试结果表明：与LiCoO₂相比，尽管LiNi_0.5Co_0.25Mn_0.25O₂的放电电压平台较低，但放电容量较高；在恒流充电模式下，当充电截止电压由4.35 V升高至4.75 V时，首次放电容量由179 mAh·g^-1增至201 mAh·g^-1，50次循环后，容量保持率由74.95%增至78.48%；在先恒流再恒压的充电模式下，电池首次放电容量为212 mAh·g^-1，50次循环后，容量保持率提高到87.71%。循环伏安测试表明：在2.80～4.80 V扫描范围内，该正极材料发生Ni²⁺/Ni³⁺，Co³⁺/Co⁴⁺两对电化学反应。EIS测试表明：随着充电截止电压的增大，该正极材料的传荷电阻变小。     

电解Co-Ni-Mn合金制备LiCo1/3Ni1/3Mn1/3正极材料

由Co-Ni-Mn合金出发，采用电解方法合成了含3种过渡金属元素的前驱物，再利用该前驱物制备了锂离子二次电池正极材料LiCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3。XRD测试结果表明通过该方法制备的正极材料具有较好的层状结构，SEM测试则显示材料由规则形状的1 μm左右颗粒组成。通过XPS实验证明Co、Ni、Mn 3种过渡金属元素在该材料中的价态分别为+3，+2，+4。采用循环伏安法对材料的电化学行为进行了研究，表明该材料具有较好的充放电可逆性。该材料在150 mA·g^-1电流下经过50周的恒电流充放循环后容量仍能保持在160 mAh·g^-1。     

Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2掺杂Mo研究

采用高温固相合成法制备了Li[Ni_(1－x)/3Mn_(1－x)/3Co_(1－x)/3Mo_x]O₂ (x＝0, 0.005, 0.01, 0.02). 对它们进行了XRD, SEM, 循环伏安及充放电容量测试, 结果发现, 掺杂x＝0.01 Mo的样品具有较高的嵌锂容量和良好的循环稳定性, 在20 mA/g放电电流密度和2.3～4.6 V的电压范围内具有211.6 mAh/g的首次放电比容量, 循环50周后放电比容量仍能达到185.9 mAh/g, 容量损失为12.1%.     

碳包覆改性制备高倍率性能的锂离子电池正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2

采用碳酸盐共沉淀-高温固相法制备了一系列表面碳包覆改性（w=1.0%,2.0%,3.0%）的LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂正极材料,借助X射线衍射（XRD）分析、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、电化学阻抗谱（EIS）和恒电流充放电测试等表征手段对材料的晶体结构、微观形貌和电化学性能进行了较系统的研究。结果表明,碳成功地包覆在了材料颗粒的表面,碳包覆改性后的材料具有良好的α-NaFeO₂结构（空间群为R3m）,且随着包碳量的增加,一次颗粒平均尺寸逐渐增大（从177 nm增至209 nm）。表面的无定形碳层可以提高材料的电子导电率,减少电极材料与电解液的副反应,故而碳包覆材料的电化学性能都有了一定程度提升。包覆碳量为2.0%的样品高倍率和长循环性能最好,在2.7~4.3 V,1C下循环100次后,容量保持率为93%;在0.1C、0.2C、0.5C、1C、3C、5C、10C和20C时的放电比容量分别为：155、148、145、138、127、116、104和96 mAh·g^-1。在超高倍率50C（9 A·g^-1）时,其放电比容量还能达到62 mAh·g^-1（原始LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂材料仅为30 mAh·g^-1）,倍率性能十分优异。     

氨蒸发诱导法制备纳米结构LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2及其作为高功率型锂离子电池正极材料的性能

采用氨蒸发诱导法成功制备出纳米结构LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂正极材料,借助X射线衍射（XRD）分析、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、高分辨率透射电镜（HRTEM）、能量分散谱（EDS）和比表面测试等表征手段及恒电流充放电测试研究了其晶体结构、微观形貌和电化学性能. 研究表明该方法制备出的材料具有良好的α-NaFeO₂层状结构,阳离子混排程度低. 纳米片交错堆积而成核桃仁状形貌,片与片之间形成许多纳米孔,而且纳米片的侧面属于{010}活性面,能够提供较多的锂离子的脱嵌通道. 在室温下及3.0-4.6 V充放电范围内,该材料在电流密度为0.5C、1C、3C、5C和10C时放电比容量分别为172.90、153.95、147.09、142.16 和131.23mAh·g^-1. 说明其具有优异的电化学性能,非常有潜力用于动力汽车等高功率密度锂离子电池中.     

LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料的制备与倍率性能研究

在碳酸盐共沉淀法中引入超声波技术,合成锂镍钴锰前驱体,然后通过高温煅烧制备了LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂正极材料,采用扫描电镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)、差示量热扫描(DSC)、循环伏安法(CV)及充放电测试等手段对材料进行了表征。结果表明,材料在700～1 000 ℃下均能形成六方层状α-NaFeO₂结构,其晶体有序化程度随着煅烧温度的升高而升高。SEM分析     

Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2掺杂Mo研究

采用高温固相合成法制备了Li[Ni_(1－x)/3Mn_(1－x)/3Co_(1－x)/3Mo_x]O₂ (x＝0, 0.005, 0.01, 0.02). 对它们进行了XRD, SEM, 循环伏安及充放电容量测试, 结果发现, 掺杂x＝0.01 Mo的样品具有较高的嵌锂容量和良好的循环稳定性, 在20 mA/g放电电流密度和2.3～4.6 V的电压范围内具有211.6 mAh/g的首次放电比容量, 循环50周后放电比容量仍能达到185.9 mAh/g, 容量损失为12.1%.     

锂离子电池正极材料层状LiNi1/2Mn1/2O2的制备与表征

用一种简单的共沉淀法制备出了层状LiNi_1/2Mn_1/2O₂材料，并且用XRD、SEM、循环充放电、循环伏安(CV)和电化学阻抗谱(EIS)等方法对材料进行了表征测试。首先，用共沉淀法制备氢氧化镍和氢氧化锰的混合物;然后，对共沉淀溶液进行预氧化来制备前驱体;最后，用预氧化的前驱体合成了LiNi_1/2Mn_1/2O₂材料。SEM和XRD测试结果分别表明:LiNi_1/2Mn_1/2O₂材料是粒径范围在100～200 nm之间的球形粒子，并且具有非常好的层状结构。循环充放电表明:在空气中900 ℃下合成时间为9 h的材料，在充放电截止电压为2.8～4.6 V的情况下，经过40次循环，材料的容量可以稳定地保持在140 mAh·g^-1左右。循环伏安曲线表明:在锂的初始脱嵌和入嵌过程中存在不可逆相变。电化学阻抗谱测试表明LiNi_1/2Mn_1/2O₂具有很好的锂离子扩散能力。     

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。     

Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2正极材料的Ga2O3包覆改性及电化学性能

首先采用共沉淀方法制备富锂锰基正极材料 Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂原始样品(P-LRMO), 然后通过简单的湿化学法以及低温煅烧方法对其进行不同含量 Ga₂O₃原位包覆。透射电子显微镜(TEM)以及 X射线光电子能谱(XPS)结果表明在 P-LRMO表面成功合成了 Ga₂O₃包覆层。电化学测试结果表明:含有 3 %Ga₂O₃的改性材料 G3-LRMO具有最优的电化学性能, 其在 0.1C倍率(电流密度为 25 mA·g^-1)下首圈充放电比容量可以达到 270.1 mAh·g^-1, 在 5C倍率下容量仍能保持 127.4 mAh·g^-1, 优于未改性材料的 90.7 mAh·g^-1, 表现出优异的倍率性能。G3-LRMO在 1C倍率下循环 200圈后仍有 190.7 mAh·g^-1的容量, 容量保持率由未改性前的 72.9 %提升至 85.6 %, 证明 Ga₂O₃包覆改性能有效提升富锂锰基材料的循环稳定性。并且, G3-LRMO在 1C倍率下循环 100圈后, 电荷转移阻抗(R_ct)为 107.7 Ω, 远低于未改性材料的 251.5 Ω, 表明 Ga₂O₃包覆层能提高材料的电子传输速率。     

Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2正极材料的Ga2O3包覆改性及电化学性能

首先采用共沉淀方法制备富锂锰基正极材料Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂原始样品(P-LRMO),然后通过简单的湿化学法以及低温煅烧方法对其进行不同含量Ga₂O₃原位包覆。透射电子显微镜(TEM)以及X射线光电子能谱(XPS)结果表明在P-LRMO表面成功合成了Ga₂O₃包覆层。电化学测试结果表明：含有3%Ga₂O₃的改性材料G3-LRMO具有最优的电化学性能,其在0.1C倍率(电流密度为25 mA·g^-1)下首圈充放电比容量可以达到270.1 mAh·g^-1,在5C倍率下容量仍能保持127.4 mAh·g^-1,优于未改性材料的90.7 mAh·g^-1,表现出优异的倍率性能。G3-LRMO在1C倍率下循环200圈后仍有190.7 mAh·g^-1的容量,容量保持率由未改性前的72.9%提升至85.6%,证明Ga₂O₃包覆改性能有效提升富锂锰基材料的循环稳定性。并且,G3-LRMO在1C倍率下循环100圈后,电荷转移阻抗(R_ct)为107.7 Ω,远低于未改性材料的251.5 Ω,表明Ga₂O₃包覆层能提高材料的电子传输速率。