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。     

熔盐法合成电化学性能优异的富锂层状正极材料Li_(1.5)Ni_(0.25)Mn_(0.75)O_(2.5)

采用氢氧化物共沉淀和熔盐法相结合的方法制备得到了电化学性能优异的富锂锰基Li_(1.5)Ni_(0.25)Mn_(0.75)O_(2.5)正极材料。借助X射线衍射(XRD)分析、扫描电镜(SEM)、感应耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)、X射线光电子能谱(XPS)、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颗粒形貌、晶体结构和电化学性能进行了系统研究。XRD结果表明该材料具有完善的α-NaFeO2层状结构(空间群为R3m)和较低的Li~+/Ni~(2+)阳离子混排。电化学性能测试表明该材料的首次不可逆容量损失较小,且倍率性能和循环稳定性能十分优异。具体而言,在2.0~4.8V,0.1C时的首次不可逆容量损失为50mAh·g~(-1)(首次库伦效率84%);在10C时的放电比容量还能达到102mAh·g~(-1);在0.5C下循环100次后,放电比容量为205mAh·g~(-1)(容量保持率90%)。     

富锂三元层状正极材料的研究进展

富锂三元层状正极材料(xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂(0<x<1,M=Mn,Ni,Co))因其远高于其它正极材料的放电比容量而被视为下一代锂离子电池正极材料的最佳选择之一,是未来锂离子电池研究和发展的重点。 但由于其循环性能差、库伦效率低等缺陷,富锂正极材料迟迟不能实现商业化生产。 本文将介绍近几年国内外富锂三元层状正极材料的最新研究进展,主要包括富锂三元层状正极材料的组成、制备技术、结构和性能研究以及包覆与掺杂等改性方面的研究进展,同时对富锂层状正极材料未来的发展趋势和前景作了展望。     

A1掺杂量对正极材料LiNi_(1/3)Co_(2/3-x)A1_xO_2结构和电化学性能的影响

以共沉淀法合成的前驱体Ni_(1/3)Co_(2/3-x)Al_x(OH)_2与低共熔锂盐0.38LiOH·H_2O-0.62LiNO_3制备了锂离子电池正极材料LiNi_(1/3)Co_(2/3-x)Al_xO_2(x=1/12,1/3,1/2,7/12).采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和电化学性能测试对其结构、形貌和电化学性质进行表征.结果表明,LiNi_(1/3)Co_(2/3-x)Al_xO_2在1/12≤x≤1/3范围内可以保持单一的六方层状a-NaFeO_2结构,当A1掺杂量(x)高于1/3时,会出现杂相.其中,LiNi_(1/3)Co_(1/3)Al_(1/3)O_2结晶程度最高,阳离子混排效应最小,并且颗粒小而均匀,振实密度可以达到2.88 g·cm~(-3),首次放电容量为151.5 mAh·g~(-1),循环50次后放电容量保持在91.4%,在1C和2C倍率下放电容量仍可达到133.7和120.9 mAh·g~(-1)     

锂离子电池正极材料Li_(1.2)Mn_(0.54-x)Ni_(0.13)Co_(0.13)Zr_xO_2的制备及电化学性能

为了改善富锂锰基正极材料Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2的循环性能,采用燃烧法合成了正极材料Li1.2Mn0.54-xNi0.13Co0.13ZrxO2(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,Li1.2Mn0.54-xNi0.13Co0.13ZrxO2(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Li1.2Mn0.52Ni0.13Co0.13Zr0.02O2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°C,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°C经过50次循环后正极材料Li1.2Mn0.52Ni0.13Co0.13Zr0.02O2比未掺杂的正极材料相比,其放电比容量提高了61.1%.     

多元掺杂尖晶石型Li_(1.02)M_xMn_(2-x)Q_yO_(4-y)正极材料的电化学特性

0引言由于金属钴资源的短缺,尤其是钴化合物对环境的污染以及钴酸锂正极材料大电流充放电的安全性等问题,研发性能优良、可取代LiCoO2的新一代锂离子电池正极材料具有十分重要而深远的意义[1￣3]。研究发现[4￣7]:尖晶石型锰酸锂LiMn2O4作为新一代正极材料具有诸多的优点:(1)天     

单斜层状结构锂离子电池正极材料LiY_xMn_(1-x)O_2的合成及其电化学性能

以Na2CO3、(CH3CO2)2Mn.4H2O、Y2O3和CH3COOLi.2H2O为原料,采用高温固相法经过2次灼烧和水热离子交换法得到一系列钇掺杂的LiMn1-xYxO2(x:0.01,0.02,0.03,0.05)化合物。通过XRD、XPS、循环伏安及恒电流充放电测试技术,研究了钇掺杂离子对合成正极材料结构及电化学性能的影响。结果表明,所得产物均具有单斜层状结构。合适的钇掺杂可以起到扩展锂离子脱嵌通道和稳定骨架结构的作用,钇离子的引入部分取代原有的三价锰离子,由于钇离子的离子半径较三价锰离子大,因此稀土掺杂锰酸锂材料的晶胞参数比未掺杂材料大,在一定程度上扩充了锂离子迁移的三维通道,更有利于锂离子的嵌入与脱嵌,提高单斜层状LiMnO2材料的电化学循环可逆性及循环稳定性。通过对所得化合物进行了钇掺杂量及电化学性能的研究,得到性能比较优良的LiY0.021Mn0.979O2化合物,其首次放电比容量为125.7mA.h/g,100次循环以后,放电比容量达212.1mA.h/g,远高于未掺杂材料的放电容量138mA.h/g。交流阻抗测试结果表明,Y3+的掺入能降低材料的电化学反应阻抗和提高材料中Li+的扩散能力。     

锂离子电池正极材料LiMn_(2-2x)Sm_xSr_xO_4的合成及电化学性能

采用高温固相反应合成了一系列的LiMn2-2xSmxSrxO4正极材料(0≤x≤0.1);采用X射线衍射仪分析了合成产物的晶体结构;利用充放电试验测定了产物的电化学性能,利用电化学阻抗谱分析了产物的电化学循环机理.结果表明,所合成的LiMn2-2xSmxSrxO4(x=0,0.01,0.02,0.03,0.04,0.05)样品均保持尖晶石相,属于Fd3m空间群.LiMn1.9Sm0.05Sr0.05O4的电化学性能最佳,首次放电容量为96.8 mAh/g,在3.0~4.4 V区间内50次循环后容量保持率超过96%.与此同时,LiMn2O4和LiMn1.90Sm0.05Sr0.05O4的电极阻抗变化不同,进而影响其电化学性能.     

ZrO_2包覆的层状富锂正极材料0.6Li[Li_(1/3)Mn_(2/3)]O_2·0.4LiNi_(5/12)Mn_(5/12)Co_(1/6)O_2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_(1/3)Mn_(2/3)]O2·0.4LiNi_(5/12)Mn_(5/12)Co_(1/6)O_2(简称LNMCO),并使用Zr(CH3COO)4进行ZrO_2的包覆改性。TEM测试结果显示纳米级的ZrO_2颗粒附着在LNMCO的表面。包覆质量分数为1.5%的ZrO_2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 m A·g-1,电压:2.0~4.8 V)分别为87.2%,279.3 m Ah·g-1,而原样则为75.1%,224.1 m Ah·g-1,循环100圈之后,1.5%ZrO_2包覆样品的放电比容量为248.3 m Ah·g-1,容量保持率为88.9%,高于原样的195.9 m Ah·g-1和87.4%。     

碳酸盐共沉淀法可控制备超高倍率锂离子电池正极材料LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_2

采用碳酸盐共沉淀法通过调节NH_3·H_2O用量来实现可控制备超高倍率纳米结构LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_2正极材料。NH_3·H_2O用量会对颗粒的形貌、粒径、晶体结构以及材料电化学性能产生较大的影响。X射线衍射(XRD)分析和扫描电镜(SEM)结果表明,随着NH_3·H_2O用量的降低,一次颗粒形貌由纳米片状逐渐过渡到纳米球状,且nNH_3·H_2O∶(nNi+nCo+nMn)=1∶2样品晶体层状结构最完善、Li~+/Ni~(2+)阳离子混排程度最低。电化学性能测试结果也证实了nNH_3·H_2O∶(nNi+nCo+nMn)=1∶2样品具有最优异的循环稳定性和超高倍率性能。具体而言,在2.7~4.3 V,1C下循环300次后的放电比容量为119 m Ah·g~(-1),容量保持率为81%,中值电压基本无衰减(保持率为97%)。在100C(18 Ah·g~(-1))的超高倍率下,放电比容量还能达到56 m Ah·g~(-1),具有应用于高功率型锂离子电池的前景。此NH_3·H_2O比例值对于共沉淀法制备其他高倍率、高容量的正/负极氧化物材料具有一定的工艺参考价值。     

锂离子电池正极材料LiNi1-xCoxO2的合成及电化学性能研究

LiNi_1-xCo_xO₂ cathode materials for lithium ion batteries were synthesized by the co-precipitation and solid-state reaction methods with LiOH·H₂O, Ni(NO₃)₂·6H₂O and Co(NO₃)₂·6H₂O as raw materials. The materials were characterized by XRD, SEM and electrochemical tests. The results showed that synthesized cathode materials were with layered structure similar to α-NaFeO₂ and uniform morphology and nearly normal grain size distribution and better electrochemical performance when x was 0.18. The first charge and discharge capacity of the cathode material was 224.3 mAh·g^-1 and 194.2 mAh·g^-1, respectively. 88.5% of the first discharge capacity remained at the 20th cycle.     

锂离子电池负极材料Li_(4-x)K_xTi_5O_(12)结构和电化学性能

采用固相反应的方法制备了尖晶石型Li4Ti5O12和K掺杂Li4-xKxTi5O12(x=0.02,0.04,0.06)。通过XRD、SEM、BET等对制备材料进行了分析。结果表明,K掺杂没有影响立方尖晶石型Li4Ti5O12的合成,同时也没有改变Li4Ti5O12的电化学反应过程。K掺杂Li4-xKxTi5O12具有比Li4Ti5O12小的颗粒粒径和比Li4Ti5O12大的比表面积、孔容积。适量的K掺杂能够明显改善Li4Ti5O12的电化学性能,尤其是倍率性能,但是过多的K掺杂却不利于材料电化学性能的提高。研究表明,Li3.96K0.04Ti5O12体现了相对较好的倍率性能和循环稳定性。0.5C下,首次放电比容量为161mAh·g-1,3.0和5.0C下,容量保持分别为138和121mAh·g-1。3.0C下,200次循环后容量保持为137mAh·g-1。     

熔盐法合成电化学性能优异的富锂层状正极材料Li1.5Ni0.25Mn0.75O2.5

采用氢氧化物共沉淀和熔盐法相结合的方法制备得到了电化学性能优异的富锂锰基Li_1.5Ni_0.25Mn_0.75O_2.5正极材料。借助X射线衍射（XRD）分析、扫描电镜（SEM）、感应耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）、X射线光电子能谱（XPS）、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颗粒形貌、晶体结构和电化学性能进行了系统研究。XRD结果表明该材料具有完善的α-NaFeO₂层状结构（空间群为R3m）和较低的Li⁺/Ni²⁺阳离子混排。电化学性能测试表明该材料的首次不可逆容量损失较小,且倍率性能和循环稳定性能十分优异。具体而言,在2.0~4.8 V,0.1C时的首次不可逆容量损失为50 mAh·g^-1（首次库伦效率84%）;在10C时的放电比容量还能达到102 mAh·g^-1;在0.5C下循环100次后,放电比容量为205 mAh·g^-1（容量保持率90%）。     

碳酸盐共沉淀法可控制备超高倍率锂离子电池正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2

采用碳酸盐共沉淀法通过调节NH₃·H₂O用量来实现可控制备超高倍率纳米结构LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂正极材料。NH₃·H₂O用量会对颗粒的形貌、粒径、晶体结构以及材料电化学性能产生较大的影响。X射线衍射（XRD）分析和扫描电镜（SEM）结果表明,随着NH₃·H₂O用量的降低,一次颗粒形貌由纳米片状逐渐过渡到纳米球状,且n_NH3·H2O：（n_Ni+n_Co+n_Mn）=1：2样品晶体层状结构最完善、Li⁺/Ni²⁺阳离子混排程度最低。电化学性能测试结果也证实了n_NH3·H2O：（n_Ni+n_Co+n_Mn）=1：2样品具有最优异的循环稳定性和超高倍率性能。具体而言,在2.7~4.3 V,1C下循环300次后的放电比容量为119 mAh·g^-1,容量保持率为81%,中值电压基本无衰减（保持率为97%）。在100C（18 Ah·g^-1）的超高倍率下,放电比容量还能达到56 mAh·g^-1,具有应用于高功率型锂离子电池的前景。此NH₃·H₂O比例值对于共沉淀法制备其他高倍率、高容量的正/负极氧化物材料具有一定的工艺参考价值。     

LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的Si/F复合掺杂及电化学性能

以共沉淀法合成的(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)(OH)₂为前驱体，在氧气氛中合成了层状正极材料LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂，用F、Si离子复合掺杂的方法对其进行改性。X射线粉末衍射(XRD)分析表明，复合掺杂没有改变晶体的六方单相层状结构。扫描电镜(SEM)观察到产物呈类球形且颗粒均匀，平均粒径在0.1～0.2 μm。循环伏安(CV)性能显示，复合掺杂提高了该材料中Li⁺离子脱-嵌过程的可逆性。电化学阻抗谱(EIS)测试结果表明，复合掺杂降低了该材料的电化学极化，抑制其在循环过程中电化学反应阻抗的增加。复合掺杂后的层状材料首次放电容量为172.8 mAh·g^-1 (0.2C)，20次循环后仍有166.4 mAh·g^-1。     

离子电池正极材料LiNi0.5Mn0.5O2的合成

采用共沉淀法制备锂离子电池正极材料LiNi_0.5Mn_0.5O₂，前驱体制备过程中金属离子氢氧化物的形貌、粒径分布和最终合成材料的性能息息相关。本文讨论了共沉淀反应过程中沉淀体系、pH值、搅拌速度和氨水浓度对沉淀产物形貌的影响。同时还考察了烧结制度对材料电化学性能的影响。结果表明，在优化条件下制备的正极材料LiNi_0.5Mn_0.5O₂首次放电容量高达178 mAh·g^-1，50个循环后放电容量稳定保持在165 mAh·g^-1(电压范围2.8～4.5 V，电流密度30 mA·g^-1)。     

富锂层状正极材料Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2的二次颗粒粒径对其倍率性能的影响

采用碳酸盐共沉淀的方法成功制备了不同二次颗粒粒径的富锂层状正极材料Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂。并运用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、激光粒度测试和电化学测试等手段对所得材料的结构、形貌、粒度分布及电化学性能进行表征。结果显示,不同二次颗粒粒径的Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂在材料结构上没有明显的差别,且首次放电比容量接近,均达到了281 mAh·g^-1。但是,二次颗粒粒径越小,富锂层状材料的表现出的倍率性能越优异,当二次颗粒的D₅₀为4.59 μm,其在3C倍率下的放电容量达到了199 mAh·g^-1。这是因为二次颗粒粒径越小,富锂层状材料可更好的与导电剂和电解液接触,且锂离子的扩散路径更短,从而表现出更好的倍率特性。