高容量梯度锂离子电池正极材料Li[Ni0.85Co0.08Mn0.07]O2的制备

通过改变金属离子的浓度比例,采用连续控制结晶法制备出镍钴锰金属元素连续浓度梯度变化的前驱体[Ni_(0.85)Co_(0.08)Mn_(0.07)](OH)_2。再与LiOH·H_2O混合,通过高温固相法得到全梯度材料Li[Ni_(0.85)Co_(0.08)Mn_(0.07)]O_2。XRD结果表明该梯度材料阳离子混排程度比纯相Li[Ni_(0.85)Co_(0.08)Mn_(0.07)]O_2更低,具有更好的层状结构。扫描电镜结果显示Li[Ni_(0.85)Co_(0.08)Mn_(0.07)]O_2具有球形形貌,粒径分布比较集中,颗粒平均粒径分布在11.5～12μm,切面元素扫描显示沿着球径方向从球心到外壳,镍含量越来越低,而钴锰的含量越来越高。越靠近颗粒表面,镍的含量越低,而钴锰的含量越高。电材料在0.1C放电倍率下首次放电比容量可达204.3 mAh·g~(-1),1C放电倍率的首次放电比容量为185.3 mAh·g~(-1),循环100次后,仍有164.7 mAh·g~(-1),容量保持率达89.17%。在高温55℃环境下,1C首次放电比容量可达202.7 mAh·g~(-1),容量保持率为85.84%,性能均好于纯相Li[Ni_(0.85)Co_(0.08)Mn_(0.07)]O_2。     

Na3V2(PO4)2O2F钠离子电池正极材料的水热法制备及性能

采用水热法制备了Na_3V_2(PO_4)_2O_2F (NVPOF)钠离子电池正极材料,利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和恒流充放电(GCD)等方法研究了其形貌、结构与电化学性能。结果显示,纯相NVPOF形貌规则,呈长1～3μm、宽300 nm～1μm、长宽比为2～3的四棱柱形貌。NVPOF具有2对平稳的充放电平台,在0.2C和2C电流密度下,放电比容量达到124.2和70.5 m Ah·g~(-1),经100次循环后,放电比容量仍有105.8和59.6 m Ah·g~(-1),容量保持率达到85.2%和84.5%,库仑效率基本在97%以上,且低温(0℃)电化学性能也有不错的表现。经还原氧化石墨烯(r GO)包覆提高电子电导率,NVPOF@r GO在0.5C和2C的室温放电比容量高达124.4和88.4 m Ah·g~(-1),且2C倍率下循环200圈后的比容量仍有78.7 m Ah·g~(-1),容量保持率高达89%,库仑效率始终保持在99%左右,显示出优异的倍率和循环性能。     

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_(1.0)Na_(0.2)Ni_(0.13)Co_(0.13)Mn_(0.54)O_2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_(0.77)Mn O_(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 m Ah·g~(-1)和215.8 m Ah·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 m Ah·g~(-1)和106.2 m Ah·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Li_2Mn O_3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Ni~(2+)、Co~(3+)、Mn~(4+)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。     

钠离子电池正极材料Na3V2(PO4)2O2F的控制合成与电化学性能优化

采用简单的水热合成法制备氟磷酸钒氧钠(Na_3V_2(PO_4)_2O_2F,简写为NVPOF),通过调节水热反应溶液的pH值和反应温度等关键参数,有效调节NVPOF的颗粒尺寸和均匀性,优化其电化学性能。研究结果显示,性能最优的NVPOF的合成条件是:pH值为7.00±0.05,水热反应温度为170℃。在该条件下合成的NVPOF正极材料具有优异的电化学性能,表现为0.1C(1C=130 mA·g~(-1))的倍率下放电比容量可达123.2 mAh·g~(-1),且在20C的高倍率下仍可实现85.9 mAh·g~(-1)的比容量,在1C下循环200圈后其容量保持率为96.2%,表明该材料具有高容量、优异的倍率和循环性能。所制备的NVPOF颗粒为纳米尺度且具有很高的均匀性,可缩短Na~+的传输路径从而缩短其传输时间,且NVPOF晶体结构具有高稳定性,是一类具有高性能的钠离子电池正极材料。     

稀土元素对R-Y-Ni系A2B7型无镁储氢合金微观结构和电化学性能的影响

采用真空电弧熔炼及退火处理制备R-Y-Ni系A_2B_7型R0.3Y0.7Ni3.25Mn0.15Al0.1(R=Y,La,Pr,Ce,Nd,Gd,Sm)储氢合金,系统研究稀土元素R对合金微观组织与结构、储氢和电化学性能的影响。XRD和SEM-EDS分析表明,合金退火组织由Ce2Ni7型主相、PuNi3型及少量Ca Cu5型相组成,Ce2Ni7型主相的晶格常数a、c及晶胞体积V均随稀土R原子半径的减小而依次降低。该合金均具有明显的吸放氢平台,常温下最大吸氢容量为1.17%~1.48%(w/w),吸氢平台压Peq为0.037~0.194 MPa。电化学分析表明,退火合金电极的电化学活化性能优良,R=La合金具有最高的放电容量(389.2 mAh·g-1)和较佳的容量保持率(充放电循环100次后的S100=85.7%),其中合金微观组织的不均匀性及稀土元素的电化学腐蚀是影响电极循环稳定性的主要原因。合金电极的高倍率放电性能(电流密度为900 m A·g-1)HRD900=71.05%~86.94%,其电极反应动力学控制步骤主要由氢原子在合金体相中的扩散速率所控制。     

无镁超点阵结构A_2B_7型La_(1-x)Y_xNi_(3.25)Mn_(0.15)Al_(0.1)合金的储氢和电化学性能

采用真空电弧熔炼和热处理(950℃×10 h)方法制备了新型无镁超点阵结构A_2B_7型La_(1-x)Y_xNi_(3.25)Mn_(0.15)Al_(0.1)(x=0,0.25,0.50,0.67,0.75,0.85,1.00)退火合金,研究了A端稀土Y元素对退火合金微观组织结构、储氢行为及电化学性能的影响.结果表明,退火合金微观组织的主相均由Ce_2Ni_7型结构组成,随稀土Y含量x增大,Ce_2Ni_7型主相丰度呈先增加后减小的规律,同时Ce_2Ni_7型主相的晶胞体积V逐渐减小.气体储氢时,x=0~0.25合金无压力-组成-温度(PCT)曲线平台且易形成氢致非晶化;当x≥0.50时,合金能有效抑制储氢时的氢致非晶化倾向且具有明显的吸/放氢平台特征,吸氢平台压范围为0.026~0.097 MPa,最大储氢量为1.418%~1.48%(质量分数),储氢性能得到极大改善.电化学测试结果表明,x=0.50~0.85的合金具有较高的电化学放电容量(350.4~381 mA·h/g),经100次充放电循环后容量保持率S100=52%~85%,其中稀土Y含量x=0.67~0.75时的合金具有良好的储氢性能及较好的综合电化学性能.合金电极的高倍率放电性能HRD900=64.5%~85.7%,氢原子在合金体相中的扩散是电极反应动力学过程的控制步骤.     

脱合金制备纳米多孔双金属氧化物NiMoO_4及其电化学性能

采用快速凝固与脱合金相结合的方法制备纳米多孔Ni-Mo合金,然后退火获得三维双连续纳米多孔NiMoO_4,采用XRD、SEM、TEM对多孔NiMoO_4的成分、形貌和结构进行表征,并通过循环伏安、恒电流充放电等方法测试多孔NiMoO_4电极的电化学性能。结果表明,Ni_5Mo_5Al_(90)和Ni_(2.5)Mo_(2.5)Al_(95)经脱合金和退火均可获得纳米多孔NiMoO_4,Mo元素对脱合金具有钉扎作用,可减小多孔合金的骨架和孔隙尺寸,由Ni_5Mo_5Al_(90)合金获得纳米多孔NiMoO_4表现出更为优异的超电容性能,其在1 A·g~(-1)电流密度比容量达708 F·g~(-1),当电流密度增加20 A·g~(-1),其比容保持率达57.1%。在4 A·g~(-1)电流密度下循环充放电1 000次,其比容保持率达91.2%。     

金属有机框架衍生的高性能锂离子电池负极Co3O4/C复合材料

为克服Co_3O_4负极材料导电率低、循环稳定性差的缺点,选择Co_2(NDC)_2DMF_2(NDC=1,4-萘二甲酸根)为前驱体采用两步煅烧工艺,制备了具有高碳含量的Co_3O_4/C复合材料。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱对样品进行了表征。采用热重分析法(TGA)测定了Co_3O_4/C中非晶态碳的含量。作为锂离子电池的负极材料,Co_3O_4/C具有高的可逆比容量、优异的循环性能(在200 m A·g~(-1)的电流密度下,循环200圈后放电比容量稳定保持在1 000 mAh·g~(-1))和良好的倍率性能(在100、200、500、1 000和2 000 mA·g~(-1)的电流密度下,放电比容量为分别1 076.3、976.2、872.9、783.6和670.1 mAh·g~(-1))。材料优异的电化学性能归结为有机配体衍生的高含量非晶态碳的导电和缓冲作用有利于电子的快速传递并有效减缓了金属氧化物充放电过程中的体积膨胀。     

LiNi0.8Co0.15Al0.05O2制备过程中聚乙烯吡咯烷酮的加入对其电化学性能的影响

为提高LiNi_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)O_2(NCA)材料的电化学性能,在NCA材料的制备过程中加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP),通过调控所得NCA材料的形貌来提高其电化学性能。所得材料采用X射线衍射仪和扫描电子显微镜进行形貌结构表征,电化学性能经组装成纽扣电池,用电池程控测试仪和电化学工作站进行测试。研究结果表明:由于PVP的空间效应和静电作用,PVP改性的NCA材料拥有更完整的棒状结构、发育出更好的层状结构,电化学储能性能得到较大的提升。在0.1C下,材料的首次放电比容量和充放电效率分别从143.36 mAh·g~(-1)、78.25%提高到了170.24 mAh·g~(-1)、89.20%;在0.2C的实验室条件下循环50次后,容量保持率为94.28%。     

掺F影响LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2结构和性能的微观机制

以氟化锂为氟源,通过高温固相法合成了F掺杂的LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_2。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和电化学测试等手段研究F影响LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_2结构和性能的微观机制。结果表明:适量F掺杂可以提高正极材料的放电比容量,改善其倍率性、循环性和热稳定性。当F掺杂量(物质的量分数)为1.5%时,材料的综合电化学性能最优,初始放电比容量(0.2C)和50周循环容量保持率(1C)分别由原始的174.0 mAh·g~(-1)(78.7%)提高到178.6 mAh·g~(-1)(85.7%)。LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_2材料性能的改善可归因于F能够增强过渡金属层、锂层与氧层之间的结合力,提高材料的结构稳定性。此外,F掺杂还有利于降低电化学反应中的界面电阻和电荷转移阻抗。     

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。     

具备高首周库仑效率的高性能锂离子电池负极材料Li2Ni2(MoO4)3@C的制备

采用常规的固相反应法结合机械球磨制备了含碳质量分数23.7%的Li₂Ni₂（MoO₄）₃@C复合材料,并应用于锂离子电池负极。与纯Li₂Ni₂（MoO₄）₃相比,Li₂Ni₂（MoO₄）₃@C具有优异的电化学性能,在电流密度为200 mA·g^-1时,50周循环后,可逆容量高达845 mAh·g^-1。值得注意的是,Li₂Ni₂（MoO₄）₃@C的首周库仑效率高达85%。此外,运用循环伏安法对Li₂Ni₂（MoO₄）₃@C复合物存储锂行为进行了初步探索。     

纳米钙钛矿型LaFe1-xNixO3(x=0~1.0)的制备及其在紫外光激发下的电化学性能

本文采用溶胶-凝胶法制备了LaFe1-xNixO3(x=0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)纳米晶粉末,利用XRD、TEM和电化学测试方法对LaFe1-xNixO3材料的相结构、形貌、成分组成和其在碱液中的充放电性能以及电化学动力学性能等方面进行了表征和分析,同时对电极受紫外光激发前后的电化学行为进行了对比研究。XRD和TEM分析表明,用硝酸盐作为原材料和溶胶-凝胶方法可制备出单一相结构的纳米晶钙钛矿型LaFe1-xNixO3复合氧化物,随Ni替代量x的增大,LaFe1-xNixO3的相结构由正交结构向菱面体结构转变,其分子体积和晶粒尺寸呈现减小的趋势。电化学研究结果表明,紫外光激发前,LaFe1-xNixO3电极的放电容量随x的增加而逐渐增大;光激发后,电极的放电容量和交换电流Io与未激发前相比显著提高,当x=0.4时其放电容量具有最大值483.1mAh·g-1,Io值由光激发前的3.54～11.58 mA·g-1大幅增加至激发后的8.37～40.11 mA·g-1。     

碳包覆LiFe0.5Co0.5PO4固溶体正极材料的制备及其电化学性能

分别以四水磷酸铁（FePO₄·4H₂O）和二水草酸亚铁（FeC₂O₄·2H₂O）为铁源,采用简单便捷的流变相法制备了碳包覆LiFe_0.5Co_0.5PO₄固溶体材料（LiFe_0.5Co_0.5PO₄/C,简称为LFCP/C）。采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、恒流充放电等测试手段对复合材料的物相、形貌结构和电化学性能进行了表征和测试。结果表明,2种铁源得到的材料均为橄榄石晶型结构且结晶度良好,二者在颗粒尺寸分布、碳包覆效果和电化学性能方面具有显著的差别。用作锂离子电池正极材料时,以FeC₂O₄·2H₂O为原料得到的LFCP/C具有更优异的电性能：在2.5~5.0 V电压范围内,0.1C倍率下（1C=150 mA·g^-1）,放电比容量为137.5 mAh·g^-1,在10C仍具有57.6 mAh·g^-1的放电比容量;0.5C循环100次后容量仍保持78.1%。该样品更佳的电化学性能主要得益于其更小的平均颗粒尺寸,更高的比表面积和理想的碳包覆效果。     

镁热还原气相法白炭黑制备纳米硅及其电化学性能

以气相法白炭黑(FS)为Si前驱体,通过镁热还原工艺和对获得的NPs-Si进行SiOx和C复合包覆,制备出NPs-Si@SiOx@C纳米复合结构,将其用作锂电池负极进行电化学性能测试。研究结果表明:镁热还原过程分两步进行,即SiO_2与Mg先生成Mg2Si中间相,Mg2Si继续与SiO_2反应生成Si的反应路径;根据此规律镁热还原气相法白炭黑的Si转化率达87.9%。电化学性能测试中NPs-Si@SiOx@C负极在2.0 A·g-1的电流密度下有1 300 mAh·g-1的容量平台,1 000次循环后的放电比容量为964.2mAh·g-1,容量保持率达75%。     

脱合金制备纳米多孔双金属氧化物NiMoO4及其电化学性能

采用快速凝固与脱合金相结合的方法制备纳米多孔Ni-Mo合金,然后退火获得三维双连续纳米多孔NiMoO₄,采用XRD、SEM、TEM对多孔NiMoO₄的成分、形貌和结构进行表征,并通过循环伏安、恒电流充放电等方法测试多孔NiMoO₄电极的电化学性能。结果表明,Ni₅Mo₅Al₉₀和Ni_2.5Mo_2.5Al₉₅经脱合金和退火均可获得纳米多孔NiMoO₄,Mo元素对脱合金具有钉扎作用,可减小多孔合金的骨架和孔隙尺寸,由Ni₅Mo₅Al₉₀合金获得纳米多孔NiMoO₄表现出更为优异的超电容性能,其在1 A·g^-1电流密度比容量达708 F·g^-1,当电流密度增加20 A·g^-1,其比容保持率达57.1%。在4 A·g^-1电流密度下循环充放电1 000次,其比容保持率达91.2%。