纺锤体形LiFePO4锂离子电池正极材料的制备与性能

采用低温溶剂热法合成了LiFePO₄, 并通过热处理方法制备出LiFePO₄/C锂离子电池复合正极材料. 利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱以及恒电流充放电测试等方法对样品进行结构表征和充放电性能测试. 结果表明: 采用丙三醇(甘油)为溶剂, 低温条件下(120 °C)合成的LiFePO₄具有橄榄石型晶体结构, 呈纺锤体形貌, 且具有粒径分布均匀的特点. 热处理后制备的LiFePO₄/C复合正极材料仍呈纺锤体形貌, 且表现出了优良的充放电性能. 室温下以0.1C倍率恒流充放电, LiFePO₄/C的首次放电比容量达到147.2 mAh·g^-1, 50次循环后放电比容量仍然保持在136.3 mAh·g^-1. 当倍率为0.2C、0.5C和1C时, 样品的平均放电比容量分别在130、120和108 mAh·g^-1左右.     

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%.     

二价与四价金属离子等摩尔共掺杂的锂离子电池正极材料LiMn1.9Mg0.05Ti0.05O4的制备与表征

以氢氧化锂、乙酸锰、硝酸镁和钛酸丁酯为原料, 以柠檬酸为螯合剂, 采用溶胶-凝胶法制备了二价镁离子与四价钛离子等摩尔共掺杂的尖晶石型锂离子电池正极材料LiMn_1.9Mg_0.05Ti_0.05O₄. 采用热重分析(TGA), X射线衍射(XRD), 扫描电子显微镜(SEM), 透射电子显微镜(TEM)和电化学性能测试(包括循环伏安(CV)和电化学交流阻抗谱(EIS)测试)对所得样品的结构、形貌及电化学性能进行了表征. 结果表明: 780℃下煅烧12 h 得到了颗粒均匀细小的尖晶石型结构的LiMn_1.9Mg_0.05Ti_0.05O₄材料, 该材料具有良好的电化学性能, 在室温下以0.5C倍率充放电, 在4.35-3.30 V电位范围内放电比容量达到126.8 mAh·g^-1, 循环50 次后放电比容量仍为118.5mAh·g^-1, 容量保持率为93.5%. 在55℃高温下循环30次后的放电比容量为111.9 mAh·g^-1, 容量保持率达到91.9%, 远远高于未掺杂的LiMn₂O₄的容量保存率. 二价镁离子与四价钛离子等摩尔共掺杂LiMn₂O₄, 改善了尖晶石锰酸锂的电子导电和离子导电性能, 使其倍率性能和高温性能都得到了明显的提高.     

一种新碳源包覆的LiFePO4/C正极材料的合成及性能

以富含植物蛋白的豆浆作为碳源, 以FePO₄·4H₂O和LiOH·H₂O为原料, 采用流变相方法合成了锂离子电池正极材料LiFePO₄/C. X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)的表征结果显示, 样品具有良好的结晶性能, 平均粒径约200 nm, 颗粒表面有均匀网络状的碳包覆. 充放电循环研究结果表明: LiFePO₄/C具有稳定的电化学循环性能, LiFePO₄/C正极材料在0.1C倍率下首次放电比容量达到156 mAh·g^-1, 首次充放电效率达到98.7%; 循环40次后, 放电比容量为149 mAh·g^-1, 电池容量保持率在95%以上, 1C倍率下首次放电比容量达到134.7 mAh·g^-1, 显示出较高的电化学容量和优良的循环稳定性.     

Ti、Mg离子复合掺杂对LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2性能的影响

采用SEM、XRD、恒电流充放电、交流阻抗谱等方法研究了钛镁离子复合掺杂对LiNi_0.4Co_0.2Mn_0.4O₂的结构及其电化学性能的影响. 结果表明材料的XRD图谱中部分特征峰的强度比值有较大的变化. 1%(摩尔分数) 的Ti、Mg离子复合掺杂能显著地改善LiNi_0.4Co_0.2Mn_0.4O₂的倍率放电能力, 平台保持能力和高倍率下的循环性能. 交流阻抗谱表明钛镁离子掺杂抑制了LiNi_0.4Co_0.2Mn_0.4O₂在高放电倍率下循环的电化学反应阻抗Rct的增加. 采用几种不同价态的金属离子复合掺杂是改善嵌锂的镍钴锰系金属氧化物的倍率放电能力的有效途径.     

混合溶剂对溶胶-凝胶法制备的Li3V2(PO4)3/C高倍率性能的影响

以有机-水为混合溶剂, 采用溶胶-凝胶法制备锂离子电池正极材料Li₃V₂(PO₄)₃/C, 选取乙醇、乙二醇和1,2-丙二醇为有机溶剂, 聚丙烯酸(PAA)为碳源和螯合剂. 通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、恒流充放电以及循环伏安测试等方法, 研究了产物的结构形貌及电化学性能. XRD测试结果表明所有溶剂制备的样品结晶良好, 有机溶剂的加入不影响Li₃V₂(PO₄)₃材料的晶型结构. 恒流充放电结果表明有机溶剂的加入改善了材料的电化学性能. 以1,2-丙二醇-水为溶剂的样品电化学性能最好, 在3.0-4.5 V电压范围内, 0.1C (1C=150 mA·g^-1)倍率首次放电比容量为132.89 mAh·g^-1, 10C倍率首次放电比容量达125.42 mAh·g^-1, 循环700周后容量保持率为95.79%, 具有良好的倍率性能与循环性能; 在3.0-4.8 V电压范围内倍率性能较差. 扫描电镜结果表明混合溶剂制备的样品呈片状和针状, 这种形状有利于锂离子的扩散, 因此提高了材料的电化学性能.     

锂离子蓄电池正极材料LiMn2-x-y-zTlxAlyMzO4(M=Co、Cr、Ni)的合成及电化学性能研究

采用同时掺杂Tl、Al和M(M=Co、Cr和Ni)三种金属原子和改进固相反应的方法合成了复合尖晶石正极材料 LiMn_2-x-y-zTl_xAl_yM_zO₄，并采用XRD、SEM、TEM、循环伏安和电化学测试考察了它的物理性质和电化学性能。结果表明，所合成的正极材料具有与母体LiMn₂O₄尖晶石同样完整的尖晶石结构，规则的形貌和均匀的粒径分布。当M为Co和Cr时，目标材料的平均粒径约800nm，且具有良好的电化学性能，其首次充电容量分别为123.70mAh·g^-1和121.30mAh·g^-1，首次放电容量分别为117.30mAh·g^-1和115.70mAh·g^-1。当M为Ni时，材料的电化学性能相对较差。循环伏安和充放电曲线表明该正极材料的充放电分别为两步脱锂和插锂机理。当Li掺杂量较小时，目标材料在充放电过程中均各有两个平台。随着Li掺杂量的增加，充放电平台有由两个逐渐转变为一个的趋势。当M为Co或Cr时，该正极材料不仅拥有较高的比容量和常温循环稳定性能，而且还具有较优良的高温循环稳定性能，这可能主要归因于三种金属的协同作用使目标材料的结构更加稳定，这也使该材料有可能成为电动车电池的较佳正极材料。     

MoO42-取代对Nasicon型Li3Fe2(PO4)3正极材料电化学性能的影响

以MoO₄^2-部分取代Li₃Fe₂（PO₄）₃中的PO₄^3-,研究表明：加入的MoO₄^2-离子主要以固溶形式存在于Li₃Fe₂（PO₄）₃中,起到了显著改善其电化学性能的作用。其中,MoO₄^2-掺杂浓度为0.3的样品表现出最佳的电化学性能,其在0.5C倍率下的首次放电容量为113.7 mAh·g^-1,这一数值比未掺杂的提高了20.7%;经过60次循环充放电,容量保持率为94%。将放电倍率从0.5C逐步增大至5C,再降至初始的0.5C,并在每个倍率循环10次,这一材料的最终放电容量可达首次0.5C的95%。这些优异的性能应归因于MoO₄^2-掺杂使材料的氧化还原能力增强,氧化还原电对的电势差减小,电池内部的电荷转移电阻减小,以及Li⁺扩散系数增加。     

两步固相法合成LiFe1-xNbxPO4/C复合正极材料及其电化学性能

以LiH₂PO₄和FeC₂O₄·2H₂O为原料, 采用分步添加聚乙烯醇和葡萄糖两种碳源的方式, 通过两步固相法合成了碳包覆的LiFePO₄材料. 700℃下处理的产物结晶良好, 颗粒分布均匀, 具有良好的电化学性能, 0.1C和1C倍率下放电比容量分别为157.3 和138.3 mAh·g^-1. 在碳包覆的基础上, 选择高价Nb⁵⁺进行铁位取代获得了复合改性的LiFe_1-xNb_xPO₄/C (x=0.005, 0.01, 0.015, 0.02)材料. 优化的LiFe_0.99Nb_0.01PO₄/C 材料显示了良好的倍率充放电能力和循环稳定性, 0.1C和5C倍率下放电比容量分别为160.5 和136.0 mAh·g^-1, 5C倍率下循环50 次后比容量保持在134.8 mAh·g^-1, 容量保持率为99.1%. 循环伏安测试结果表明, Nb⁵⁺离子掺杂减少了锂离子扩散阻力, 降低了充放电过程中的动力学限制, 提高了电极的可逆性.     

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%。     

Preparation and Electrochemical Performance of V2O3-C Dual-Layer Coated LiFePO4 by Carbothermic Reduction of V2O5

The V₂O₃-C dual-layer coated LiFePO₄ cathode materials with excellent rate capability and cycling stability were prepared by carbothermic reduction of V₂O₅. X-ray powder diffraction, elemental analyzer, high resolution transmission electron microscopy and Raman spectra revealed that the V₂O₃ phase co-existed with carbon in the coating layer of LiFePO₄ particles and the carbon content reduced without graphitization degree changing after the carbothermic reduction of V₂O₅. The electrochemical measurement results indicated that small amounts of V₂O₃ improved rate capability and cycling stability at elevated temperature of LiFePO₄/C cathode materials. The V₂O₃-C dual-layer coated LiFePO₄ composite with 1wt% vanadium oxide delivered an initial specific capacity of 167 mAh/g at 0.2 C and 129 mAh/g at 5 C as well as excellent cycling stability. Even at elevated temperature of 55 oC, the specific capacity of 151 mAh/g was achieved at 1 C without capacity fading after 100 cycles.     

二价与四价金属离子等摩尔共掺杂的锂离子电池正极材料LiMn_(1.9)Mg_(0.05)Ti_(0.05)O_4的制备与表征

以氢氧化锂、乙酸锰、硝酸镁和钛酸丁酯为原料,以柠檬酸为螯合剂,采用溶胶-凝胶法制备了二价镁离子与四价钛离子等摩尔共掺杂的尖晶石型锂离子电池正极材料Li Mn1.9Mg0.05Ti0.05O4.采用热重分析(TGA),X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM)和电化学性能测试(包括循环伏安(CV)和电化学交流阻抗谱(EIS)测试)对所得样品的结构、形貌及电化学性能进行了表征.结果表明:780°C下煅烧12 h得到了颗粒均匀细小的尖晶石型结构的Li Mn1.9Mg0.05Ti0.05O4材料,该材料具有良好的电化学性能,在室温下以0.5C倍率充放电,在4.35-3.30 V电位范围内放电比容量达到126.8 m Ah·g-1,循环50次后放电比容量仍为118.5m Ah·g-1,容量保持率为93.5%.在55°C高温下循环30次后的放电比容量为111.9 m Ah·g-1,容量保持率达到91.9%,远远高于未掺杂的Li Mn2O4的容量保存率.二价镁离子与四价钛离子等摩尔共掺杂Li Mn2O4,改善了尖晶石锰酸锂的电子导电和离子导电性能,使其倍率性能和高温性能都得到了明显的提高.     

Synthesis and electrochemical properties of yttrium-doped LiMn<Subscript>0.98</Subscript>Y<Subscript>0.02</Subscript>O<Subscript>2</Subscript> for lithium secondary batteries

Yttrium-doped lithium manganese oxide (LiMn_0.98Y_0.02O₂) was prepared by ion exchange of lithium for sodium in NaMn_0.98Y_0.02O₂ precursors obtained by using rheological phase reaction method. This material had small particle size, which was composed of grain size of about 100 nm. Especially, LiMn_0.98Y_0.02O₂ delivered the initial discharge capacity of about 191 mA h g⁻¹ at room temperature when cycled between 2.0 and 4.4 V vs Li/Li⁺. Moreover, it showed an excellent cycling behavior, its specific capacity remained above 173 mA h g⁻¹ after 20 cycles, and the material did not transform into spinel structure during the electrochemical cycling according to the cyclic voltammograms and X-ray powder diffraction. The electrochemical results revealed that the doping of Y³⁺ improved the performance of LiMnO₂ considerably.     

多元醇法合成具有不同长径比的棒状LiFePO4/C材料

以三价铁盐为铁源,采用多元醇还原法在低温下制备出了具有不同长径比的棒状LiFePO₄材料. 通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、循环伏安(CV)、交流阻抗谱(EIS)和恒电流充放电测试等手段分析了不同回流反应时间下制备出的前驱体和最终的LiFePO₄/C 样品. 结果表明：回流反应时间对LiFePO₄的形貌和特性有明显的影响. 通过把回流反应时间从4 h延长至16 h,材料的形貌由不规则的短棒状颗粒变为规则的长棒状颗粒,且棒的直径明显变小. 当回流反应时间为10 h 时,样品复合了多种形貌,有利于电子的传输,在低倍率下具有优秀的性能,0.1C放电比容量为163 mAh·g^-1;当回流反应时间为16 h 时,样品具有最大的长径比,有利于锂离子的扩散,在高倍率下具有良好的性能,1C、3C、5C、10C、20C倍率下放电比容量分别为135、125、118、110、98 mAh·g^-1,循环性能良好,几乎无衰减.     

Asymmetric Solvents Regulated Crystallization-Limited Electrolytes for All-Climate Lithium Metal Batteries

Electrolytes that can keep liquid state are one of the most important physical metrics to ensure the ions transfer with stable operation of rechargeable lithium-based batteries at a wide temperature window. It is generally accepted that strong polar solvents with high melting points favor the safe operation of batteries above room temperatures but are susceptible to crystallization at low temperatures (≤−40 °C). Here, a crystallization limitation strategy was proposed to handle this issue. We demonstrate that, although the high melting points of ethylene sulfite (ES, −17 °C) and fluoroethylene carbonate (FEC, ≈23 °C), their mixtures can avoid crystallization at low temperatures, which can be attributed to low intermolecular interactions and altered molecular motion dynamics. A suitable ES/FEC ratio (10 % FEC) can balance the bulk and interface transport of ions, enabling LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂||lithium (NCM811||Li) full cells to deliver excellent temperature resilience and cycling stability over a wide temperature range from −50 °C to +70 °C. More than 66 % of the capacity retention was achieved at −50 °C compared to room temperature. The NCM811||Li pouch cells exhibit high cycling stability under realistic conditions (electrolyte weight to cathode capacity ratio (E/C)≤3.5 g Ah⁻¹, negative to positive electrode capacity ratio (N/P)≤1.09) at different temperatures.     

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.     

S-M(M=Cu, Co, Ti)复合掺杂层状LiMnO2 的合成及其电化学性能

用水热法合成了锂离子电池正极材料正交结构LiMnO2材料, 并对其进行S2－、大尺寸阳离子(Cu2＋, Co3＋, Ti4＋)以及硫-金属离子复合掺杂改性. 用X射线衍射(XRD)、X光电子能谱分析(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、恒电流充放电、交流阻抗谱(EIS)等测试技术进行表征. 实验结果表明: 当掺入离子的含量较低时, 得到的产物能保持完整的正交结构, 并表现出较好的电化学性能. S2－和非Jahn-Teller效应大尺寸阳离子的掺入使材料的循环稳定性能大幅度提高, 而这种提高是源于这些离子对LiMnO2结构的稳定作用. 电极材料Li1.02Mn0.988Ti0.012O1.989S0.011显示了最优的电化学性能, 在50 mA•g－1放电速率下, 其初始放电容量为142.6 mAh•g－1, 60次循环后放电容量为213.4 mAh•g－1. 硫-金属阳离子复合掺杂, 综合了大尺寸阳离子可以提高材料中Li＋的扩散能力和S2－掺杂抑制Jahn-Teller畸变两方面优势, 使层状结构LiMnO2正极材料既保持了较高的容量又获得良好的循环性能.     

Synthesis and properties of Mo and W ions co-doped porous nano-structured VO2 films by sol–gel process

Porous nano-structured vanadium dioxide (VO₂) films doped with Mo and W ions had been synthesized by sol gel process by employing a sol containing ammonium molybdate and ammonium tungstate with the addition of cetyltrimethyl ammonium bromide (CTAB). The effects of molybdenum and tungsten co-doping and CTAB addition on the structure, morphologies, crystalline and optical properties of VO₂ films were investigated systematically in this study. The composition and microstructure were detected by X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy and scanning electron microscopy. The Mo and W ions co-doped porous nano-structured VO₂ films showed excellent infrared transmittance (nearly 70 %), large transmittance difference (55 %) before and after the phase transition, low transition temperature (35 °C), wide hysteresis width (22 °C) and fast phase transition. The results suggest that such Mo and W ions co-doped porous nano-structured VO₂ film is an ideal fundamental material for optical data storage.