导电氧化物AZO对尖晶石型LiMn2O4高温性能的改善及研究

采用溶胶凝胶法对尖晶石型LiMn₂O₄正极材料进行铝掺杂氧化锌(AZO)包覆改性,并通过XRD、SEM、EDS、TEM、EIS、ICP -AES和充放电测试等手段对其结构,形貌及电化学性能进行表征。研究结果表明,AZO包覆层有效的阻止了LiMn₂O₄颗粒和电解液的直接接触,抑制了高温下锰溶解,明显改善了LiMn₂O₄的高温循环性能。1.5wt% AZO包覆的LiMn₂O₄正极材料在高温(55℃)1C时,首次放电比容量为114 mAh·g^-1,经过100次循环后,容量保持率仍高达95.4%,远高于未包覆LiMn₂O₄的70.6%。此外,1.5wt% AZO包覆的LiMn₂O₄表现出了优越的大倍率放电性能,在10C下放电比容量能达到99 mAh·g^-1。     

球形尖晶石LiMn2O4掺杂钇的性能研究

利用控制结晶方法, 在前驱体碳酸锰中共沉淀掺杂适量的钇, 得到球形掺杂钇的碳酸锰, 在540 ℃预烧后, 与锂盐一起焙烧, 可以得到高活性的掺钇球形尖晶石LiMn₂O₄. XRD分析表明, 产物中无杂相产生. 研究表明, 掺杂钇与掺杂其它金属离子的特性不一样, 钇具有催化特性, 掺杂钇可以提高尖晶石LiMn₂O₄中锰的活性. 掺钇使得更多的Mn^3＋参加电化学反应, 增加容量; 但同时也使更多的锰与电解液反应, 造成锰的溶解, 容量损失. 掺钇量越多, 锰的溶解量越大. 因此, 合适的掺杂量对于保证产品良好的电化学性能至关重要. 实验证明, 掺钇0.5%的产品Li(Y_0.005Mn_0.995)₂O₄具有较好的电化学性能. 其常温初始比容量为130 mAh•g^－1, 大于纯相的锰酸锂的125 mAh•g^－1, 100次循环后比容量为120 mAh•g^－1, 容量保持率为92.3%.     

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%.     

异质双碳源对LiMn0.8Fe0.2PO4复合材料电化学性能的影响

采用水基流变相辅助的固相法,以异质碳蔗糖和石墨为碳源,合成了LiMn_0.8Fe_0.2PO₄/C复合材料,研究了不同石墨加入方式对所制复合材料电化学性能的影响,并对所制备的LiMn_0.8Fe_0.2PO₄/C复合材料进行了X射线衍射(XRD)、比表面积测试、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等表征。结果表明,不同石墨包覆工艺对材料结构和电化学性能具有显著影响。前驱体煅烧后再加入石墨获得的样品纯度高,形貌呈均一的椭圆形,在0.1C下的放电比容量为149 mAh·g^-1,达到其理论比容量的 87%;在 5C 下最大的放电比容量为 133 mAh·g^-1;在 2C 倍率下经过 300 次循环后比容量维持在 127 mAh·g^-1,衰减率仅为1.9%,表现出了优良的循环稳定性。     

富锂层状正极材料Li2Mn1-xTixO3的合成及电化学性能

应用简单的高温固相烧结法合成了Ti掺杂改性的Li₂MnO₃材料。电子扫描显微镜、X射线衍射以及X射线光电子能谱分析表明Ti元素取代Mn离子掺入到Li₂MnO₃晶格中,且掺杂能有效地抑制一次颗粒的团聚。电化学阻抗和恒流充放电测试结果表明,在2.0~4.6 V的电压窗口下,掺杂改性的样品Li₂Mn_0.9Ti_0.03O₃的首圈放电比容量达到209 mAh·g^-1,库仑效率为99.5%,循环40圈后容量保持率为94%;当电流密度增大到400 mA·g^-1时,掺杂改性的样品仍然可以放出120 mAh·g^-1比容量,远高于同等电流密度下未掺杂的Li₂MnO₃原粉的比容量（52 mAh·g^-1）。Ti掺杂可有效地改善Li₂MnO₃的循环稳定性和倍率性能,有利于促进该材料的商业化应用。     

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。     

球形尖晶石LiMn2O4掺杂钇的性能研究

利用控制结晶方法, 在前驱体碳酸锰中共沉淀掺杂适量的钇, 得到球形掺杂钇的碳酸锰, 在540 ℃预烧后, 与锂盐一起焙烧, 可以得到高活性的掺钇球形尖晶石LiMn₂O₄. XRD分析表明, 产物中无杂相产生. 研究表明, 掺杂钇与掺杂其它金属离子的特性不一样, 钇具有催化特性, 掺杂钇可以提高尖晶石LiMn₂O₄中锰的活性. 掺钇使得更多的Mn^3＋参加电化学反应, 增加容量; 但同时也使更多的锰与电解液反应, 造成锰的溶解, 容量损失. 掺钇量越多, 锰的溶解量越大. 因此, 合适的掺杂量对于保证产品良好的电化学性能至关重要. 实验证明, 掺钇0.5%的产品Li(Y_0.005Mn_0.995)₂O₄具有较好的电化学性能. 其常温初始比容量为130 mAh•g^－1, 大于纯相的锰酸锂的125 mAh•g^－1, 100次循环后比容量为120 mAh•g^－1, 容量保持率为92.3%.     

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。     

以氨基化的聚苯乙烯微球为模板制备电致变色性能优良的单层有序多孔PBTB薄膜

以氯化钨和氧化石墨烯(GO)为原料,乙醇为溶剂,一步合成了WO₃纳米棒/石墨烯纳米复合材料(WO₃/RGO). 将WO₃/RGO纳米复合材料用于锂离子电池负极,并通过充放电测试、循环伏安(CV)和电化学阻抗谱(EIS)技术综合考察了该材料的储锂性能. 结果显示,在0.1C (1C=638 mA·g^-1)倍率下,复合物的首次放电比容量达到761.4 mAh·g^-1,100次循环后可逆容量仍保持在635 mAh·g^-1,保持率为83.4%. 即使在5C倍率下容量仍高达460 mAh·g^-1. 由此说明,WO₃/RGO纳米复合物具有优异的循环稳定性及倍率性能,可望用于高性能锂离子电池.     

对苯二甲酸镁作为钠离子电池的有机负极材料

报道了对苯二甲酸镁作为钠离子电池负极材料的研究. 以对苯二甲酸和氢氧化镁为原料,采用酸碱中和反应制备了含结晶水的对苯二甲酸镁（MgC₈H₄O₄·2H₂O）,该材料对钠离子电池表现出了较好的电化学活性、优异的倍率性能以及良好的循环稳定性. 在0.5C（1C=300 mA·g^-1）倍率下循环50 周以后,可逆容量由114mAh·g^-1降至95 mAh·g^-1,容量保持率高达83%;在2C的倍率下有高达90 mAh·g^-1的可逆比容量. 另外,在氮气气氛中,400 ℃进行后续热处理得到了不含结晶水的对苯二甲酸镁（MgC₈H₄O₄）,探讨了结晶水对其电化学性能的影响. 结果表明,MgC₈H₄O₄·2H₂O的比容量、倍率性能以及循环稳定性都明显优于不含结晶水的对苯二甲酸镁.     

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。     

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_0.9Co_0.05Al_0.03Zr_0.02（OH）₂前驱体,与LiOH·H₂O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_0.9Co_0.05Al_0.03Zr_0.02）O₂。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-NaFeO₂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LiNi_0.9Co_0.05Al_0.03Zr_0.02O₂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 mAh·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 mAh·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 mAh·g^-1,2C充放电倍率下循环100周容量保持率为85.1%。     

静电自组装方法合成的具有多孔三维网络结构的Fe3O4/石墨烯复合材料作为高性能锂离子电池负极材料

采用静电自组装方法,分两步合成Fe（OH）₃/GO前驱体（GO：氧化石墨烯）,再通过水热反应和600 ℃高纯氮气气氛下煅烧,获得了Fe₃O₄/石墨烯复合材料. 通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）、拉曼（Raman）光谱等多种分析,发现该复合材料具有三维多孔石墨烯网络结构. 把合成的这种Fe₃O₄/石墨烯复合材料作为锂离子电池负极材料,电化学测试结果表明其具有优良的电化学性能：首次放电容量为1390 mAh·g^-1,50次循环后容量为819 mAh·g^-1. 通过对比实验表明,三维石墨烯网络结构的形成对复合材料的电化学循环稳定性起着关键作用.     

锰源对尖晶石LiMn2O4高温性能的影响

为考察不同锰源对所制备尖晶石LiMn₂O₄(LMO)电化学性能的影响(特别是高温性能),采用沉淀法制备前驱体,通过不同煅烧温度制备得到最常用的锰氧化物(MnO₂、Mn₂O₃和Mn₃O₄)为锰源,经相同条件制备得到LMO正极材料,通过考察所得LMO形貌及电化学性能来研究锰源与LMO电化学性能的关系。研究结果表明,相同的前驱体在不同煅烧温度下可以得到不同的锰氧化物,且各自具有不同的形貌结构。由这些锰氧化物都可以得到高纯度的LMO,但产物形貌结构以及材料中的八面体晶体含量和尺寸不同。由Mn₂O₃制备得到的LMO材料中的八面体晶体含量最多,且尺寸最均匀,在3种LMO中容量性能、倍率性能和循环性能最好：0.2C(1C=148 mA·g^-1)下首次放电比容量为131.8 mAh·g^-1;3C下还有100.4 mAh·g^-1的放电比容量。其对应半电池在0.5C下循环100次后,放电比容量还有116.0 mAh·g^-1,容量保持率为93.9%,电化学储能性能远远优于其他2种LMO。即使是在高温55 ℃下,由Mn₂O₃得到的LMO也表现出明显优于其他2种材料的高倍率性能和抗衰减性能。     

N掺杂MnO2/碳布复合材料的制备及储锂性能

采用碳布（CC）为柔性基底,通过水热法制备了MnO₂/CC及N掺杂MnO₂/CC无黏结剂负极材料,借助X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、比表面积测试和恒电流充放电对材料进行了结构表征及电化学性能测试。结果表明N掺杂MnO₂/CC具有良好的倍率性能和循环稳定性。在0.1 A·g^-1的电流密度下,其首次充电比容量为948.8 mAh·g^-1,经过不同倍率测试后电流密度恢复至0.1 A·g^-1时仍然保持有907.9 mAh·g^-1的可逆比容量,容量保持率为95.7%。在1 A·g^-1的大电流密度下,其首次充电比容量为640.3 mAh·g^-1,循环100次后仍然保持有529.9 mAh·g^-1的可逆比容量,容量保持率为82.8%,可逆比容量远高于商用MnO₂。     

溶胶-凝胶法合成Li1-xNaxMn2O4及其作为水系锂离子电池正极材料的电化学性能

用溶胶凝胶法合成了Na⁺离子掺杂的Li_1-xNa_xMn₂O₄(x=0,0.01,0.03,0.05)。X射线衍射图表明Na⁺取代Li⁺进入Li_1-xNa_x Mn₂O₄晶格中,扫描电镜图看出产物是粒径为100~300 nm的颗粒。恒流充放电测试结果表明,Li_0.97Na_0.03Mn₂O₄在2C倍率下循环100圈后放电容量保持率比未掺杂的LiMn₂O₄从51.2%提升到84.1%。循环伏安测试表明Na⁺离子掺杂降低了材料极化且增大了锂离子扩散系数。10C倍率下Li_0.97Na_0.03Mn₂O₄仍有79.0 mAh·g^-1的放电容量,高于未掺杂样品的52.1 mAh·g^-1。Na⁺离子掺杂可以稳定材料结构并提高锂离子扩散系数,从而提高LiMn₂O₄的电化学性能,是一种可行的改性方法。     

松针状NiCo2O4@碳布复合材料在锂硫电池中的应用

以碳布（CC）作为柔性基底,采用水热法在其表面原位生长松针状网络结构NiCo₂O₄,制得NiCo₂O₄@CC复合材料,并应用于锂硫电池。NiCo₂O₄在碳纤维表面竖直生长形成三维纳米针簇网络,为硫的存储提供更多的空间,有效缓解硫电极的体积膨胀。通过吸附实验,证明了NiCo₂O₄@CC能有效吸附多硫化物,从而抑制多硫化物的穿梭效应。与CC/S相比（933 mAh·g^-1）,NiCo₂O₄@CC/S复合材料用于锂硫电池具有更优异的电池性能,在0.1C下初始放电比容量高达1 467 mAh·g^-1,在0.2C下初始放电比容量为1 098 mAh·g^-1,经200次循环后,放电比容量仍然保持在879 mAh·g^-1,平均每圈衰减率为0.09%,表现出良好的循环性能。     

ZrO2包覆的层状富锂正极材料0.6Li[Li1/3Mn2/3]O2·0.4LiNi5/12Mn5/12Co1/6O2的电化学性能

采用喷雾干燥法合成了富锂层状氧化物正极材料0.6Li[Li_1/3Mn_2/3]O₂·0.4LiNi_5/12Mn_5/12Co_1/6O₂(简称LNMCO),并使用Zr (CH₃COO)₄进行ZrO₂的包覆改性。TEM测试结果显示纳米级的ZrO₂颗粒附着在LNMCO的表面。包覆质量分数为1.5%的ZrO₂包覆样品的首圈库伦效率和放电比容量有着显著提升,在室温下其首圈库伦效率和放电比容量(电流密度：20 mA·g^-1,电压：2.0~4.8 V)分别为87.2%,279.3 mAh·g^-1,而原样则为75.1%,224.1 mAh·g^-1,循环100圈之后,1.5% ZrO₂包覆样品的放电比容量为248.3 mAh·g^-1,容量保持率为88.9%,高于原样的195.9 mAh·g^-1和87.4%。     

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。