四元尖晶石相Li——M——Mn——O(M=Ni,Cr,Mo,V)嵌入电极的研究

制备了用不同价态的几种金属阳离子(Ni2^+,Cr3^+,V5^+,Mo6^+)修饰的尖晶石LiMn~2O~4嵌入化合物作为锂二次电池的阴极材料,对Li/LiM~yMn~2~-~yO~4电池进行了电化学和X射线衍射研究.结果表明,其它离子的掺杂使标准尖晶石LiMn~2O~4电极对锂的反复脱嵌和嵌入有了更强的承受力,但在不同程度上降低了其初始容量.循环性能的提高归于掺杂的金属阳离子使尖晶石结构趋于更稳定.同时还讨论了修饰离子对尖晶石相在充放电时5V电压平台出现的影响。     

四元尖晶石相Li-M-Mn-O(M=Ni,Cr,M0,V)嵌入电极的研究

制备了用不同价态的几种金属阳离子(Ni2+,Cr3+,V5+,Mo6+)修饰的尖晶石LiMn2O4嵌入化合物作为锂二次电池的阴极材料,对Li/LiMyMn2-yO4电池进行了电化学和X射线衍射研究.结果表明,其它离子的掺杂使标准尖晶石LiM2O4电极对锂的反复脱嵌和嵌入有了更强的承受力,但在不同程度上降低了其初始容量.循环性能的提高归于掺杂的金属阳离子使尖晶石结构趋于更稳定.同时还讨论了修饰离子对尖晶石相在充放电时5V电压平台出现的影响.     

骨架金属原子对Keggin阴离子电子结构和物化性质的研究

使用第一原理密度泛函理论中的离散变分方法(DFT-DVM)对(PM~1~2O~4~0)^n^-(M=Mo,W,V),(PMo~9W~3O~4~0)^3^-,(PMo~9V~3O~4~0)^6^-五种Keggin结构杂多阴离子进行了电子结构计算,讨论了骨架金属原子对Keggin结构杂多阴离子的电荷分布、成键作用、热稳定性、氧化还原性等的影响。结果表明,骨架金属原子对Keggin阴离子的电荷分布和成键作用均有一定的影响,以Mo,W,V作骨架金属原子的Keggin阴离子(PM~1~2O~4~0)^n^-的热稳定性顺序为:(PW~1~2O~4~0)~3^->(PMo~1~2O~4~0)^3^->(PV~1~2O~4~0)^1^5^-。提出了判断杂多阴离子氧化性强弱的两因素法---脱出晶格氧的难易程度和LUMO轨道电负性,并根据两因素法得到氧化性强弱顺序为:(PV~1~2O~4~0)^1^5^->(PMo~1~2O~4~0)^3^->(PW~1~2O~4~0)~3^-。同时,讨论了当(PMo~1~2O~4~0)~3^-中的Mo部分被W和V取代后,即(PMo~9W~3O~4~0)^3^-,(PMo~9V~3O~4~0)^6^-,其中取代原子对电子结构的影响,结果表明,W取代使整个阴离子的稳定性增强,但氧化性减弱,V取代,使稳定性减弱,但氧化性增强。     

骨架金属原子对Keggin阴离子电子结构和物化性质的研究

使用第一原理密度泛函理论中的离散变分方法(DFT-DVM)对(PM~1~2O~4~0)^n^-(M=Mo,W,V),(PMo~9W~3O~4~0)^3^-,(PMo~9V~3O~4~0)^6^-五种Keggin结构杂多阴离子进行了电子结构计算,讨论了骨架金属原子对Keggin结构杂多阴离子的电荷分布、成键作用、热稳定性、氧化还原性等的影响。结果表明,骨架金属原子对Keggin阴离子的电荷分布和成键作用均有一定的影响,以Mo,W,V作骨架金属原子的Keggin阴离子(PM~1~2O~4~0)^n^-的热稳定性顺序为:(PW~1~2O~4~0)~3^->(PMo~1~2O~4~0)^3^->(PV~1~2O~4~0)^1^5^-。提出了判断杂多阴离子氧化性强弱的两因素法---脱出晶格氧的难易程度和LUMO轨道电负性,并根据两因素法得到氧化性强弱顺序为:(PV~1~2O~4~0)^1^5^->(PMo~1~2O~4~0)^3^->(PW~1~2O~4~0)~3^-。同时,讨论了当(PMo~1~2O~4~0)~3^-中的Mo部分被W和V取代后,即(PMo~9W~3O~4~0)^3^-,(PMo~9V~3O~4~0)^6^-,其中取代原子对电子结构的影响,结果表明,W取代使整个阴离子的稳定性增强,但氧化性减弱,V取代,使稳定性减弱,但氧化性增强。     

增塑聚合物电解质电化学性能

以GBL/EC复配体系为增塑剂, PVDF HFP和PMMA为聚合物基体制备胶态聚合物电解质. 研究聚合物电解质的离子传输特性和电化学稳定性. 实验表明,室温离子电导率达到 1. 2mS·cm-1, 电化学稳定窗口在 4. 5V以上. 以GBL/EC增塑聚合物电解质与表面经修饰的锂金属电极组成锂金属聚合物电池,其电极稳定性较好,充放电循环寿命得到很大的提高.     

非整比Li4-xTi5SnyO12化合物的合成及电化学性能的研究

采用流变相法合成了锡掺杂的非整比锂钛氧尖晶石化合物,并研究了不同比例的Sn髧离子掺杂对锂钛氧尖晶石结构及性能的影响。采用XRD、SEM技术对合成材料的晶体结构和微观形貌进行表征,采用恒流充、放电系统及交流阻抗测试法对合成材料的电化学性能进行了测试,结果表明:Sn髧离子掺杂在一定程度上改善了锂钛氧尖晶石作为负极材料时,不同的掺杂量,对材料的电化学性能影响不同,其中Li4-xTi5Sn0·3O12材料的性能为最佳,当电池在较低电流密度下(50 mA·g-1)充、放电时,Li4-xTi5Sn0·3O12材料的首次放电比容量为236 mAh·g-1,在随后提高充、放电倍率过程中(由1C增到4C进行充、放电),当循环105次后,Li4-xTi5Sn0·3O12材料的放电比容量仍保持在109.8 mAh·g-1,与纯样品或其它非整比掺杂样品锂钛氧尖晶石比较,Li4-xTi5Sn0·3O12表现优良的电化学循环性能。本文还对锡掺杂导致锂钛尖晶石材料性能改善的原因也进行了初步探索。     

锂在[Mn~2O~4]中的电化学嵌入反应I.热力学性质

锂嵌入[Mn~2O~4]晶格形成嵌合物Li~xMn~2O~4。通过对不同温度(20~45℃)下的Li/Li~xMn~2O~4电池的库仑滴定曲线[EmF(x)]的测定, 可以求得该嵌入过程的嵌入熵、焓和自由能等热力学函数。在x<1.5时, 表现为很高的偏摩尔自由能, 在x=1/2和x=1时, 嵌入熵和焓表现为不连续性。热力学函数值与Li~xMn~2O~4的晶体结构关联。     

锂在[Mn~2O~4]中的电化学嵌入反应I.热力学性质

锂嵌入[Mn~2O~4]晶格形成嵌合物Li~xMn~2O~4。通过对不同温度(20~45℃)下的Li/Li~xMn~2O~4电池的库仑滴定曲线[EmF(x)]的测定, 可以求得该嵌入过程的嵌入熵、焓和自由能等热力学函数。在x<1.5时, 表现为很高的偏摩尔自由能, 在x=1/2和x=1时, 嵌入熵和焓表现为不连续性。热力学函数值与Li~xMn~2O~4的晶体结构关联。     

M2B5O9X∶Eu,Tb(M=Ca,Sr;X=Cl,Br)荧光体的光谱特征

利用Eu3+和Tb3+稀土离子之间存在电子组态共轭性的特征,将其双掺于同一基质中,由于电子转移而产生Eu2+,使Eu3+,Tb3+和Eu2+共存于同一体系中.在空气中合成了M2B5O9X∶Eu,Tb荧光粉,研究了其发光特征及影响作用.结果表明,Eu3+,Tb3+和Eu2+共存于同一基质中,且稀土离子的掺杂量对其光谱产生影响.     

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.     

S-M(M=Al,Co)复合掺杂LiMn2O4的结构稳定性

应用量子化学电荷自洽离散变分Xα(SCC-DV-Xα)方法,研究了S-Al、S-Co复合掺杂增强尖晶石结构锂锰氧化物稳定性的作用机制.计算结果表明,S-Al复合掺杂锂锰尖晶石和S-Co复合掺杂锂锰尖晶石中的共价键强度均比未掺杂尖晶石LiMn2O4中的强,且与MnO2中的共价键强度相近;S-Al,S-Co复合掺杂尖晶石中Mn的电荷也与MnO2模型Mn6O2628-中十分接近.Mn原子的电荷密度次序是MnO2≈掺硫铝后锰锂尖晶石≈掺硫钴后的锂锰尖晶石<锰锂尖晶石.即LixMn3Co3O20S6n-和LixMn3Al3O20S6n-中Mn的状态与MnO2中的Mn相似.上述结果揭示了S和非Jahn-Teller效应阳离子(Al3 ,Co3 )复合掺杂尖晶石结构锂锰氧化物在电化学过程中不会发生Jahn-Teller畸变的内在原因.     

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.     

S-M（M=Al,Co）复合掺杂LiMn2O4的结构稳定性

应用量子化学电荷自洽离散变分Xα(SCC-DV-Xα)方法,研究了S-Al、S-Co复合掺杂增强尖晶石结构锂锰氧化物稳定性的作用机制.计算结果表明, S-Al复合掺杂锂锰尖晶石和S-Co复合掺杂锂锰尖晶石中的共价键强度均比未掺杂尖晶石LiMn2O4中的强,且与MnO2中的共价键强度相近; S-Al, S-Co复合掺杂尖晶石中Mn的电荷也与MnO2模型[Mn6O26]28－中十分接近. Mn原子的电荷密度次序是MnO2≈掺硫铝后锰锂尖晶石≈掺硫钴后的锂锰尖晶石< 锰锂尖晶石.即[LixMn3Co3O20S6]n－和[LixMn3Al3O20S6]n－中Mn的状态与MnO2中的Mn相似.上述结果揭示了S和非Jahn-Teller效应阳离子（Al3＋,Co3＋）复合掺杂尖晶石结构锂锰氧化物在电化学过程中不会发生Jahn-Teller畸变的内在原因.     

全固态锂金属电池表界面化学的研究进展

传统的锂金属电池存在电解液易泄漏、 易燃等安全隐患, 因此开发不燃性全固态电解质对于解决锂金属电池安全问题至关重要, 而如何有效降低固体电解质与电极之间的界面电阻是发展高性能全固态锂金属电池的关键. 针对如何优化全固态锂金属电池表界面的问题, 本文综述了全固态锂金属电池电极和电解质表面修饰的最新研究进展, 对提高界面接触和降低界面电阻的传统方法进行了探讨, 分析并点评了新型的表面修饰技术, 为进一步提高全固态锂金属电池的综合性能提供新思路. 最后, 对全固态锂金属电池的研究前景进行了展望.     

锂离子电池正极材料LiNi0.5Mn1.5O4金属掺杂的第一性原理研究

近来尖晶石相LiNi0.5Mn1.5O4被认为是一种有前景的二次锂离子电池正极材料.但是其相对较差的循环性能和倍率性能限制了LiNi0.5Mn1.5O4的大规模应用.金属掺杂被认为是一种提高其电化学性能的有效方法.然而,还急需深层次地理解掺杂对材料结构和电化学性质的影响.采用第一性原理方法,系统地研究了金属掺杂的LiM0.125Ni0.375Mn1.5O4(M为Cr,Fe和Co)电极体系的结构与电子性质.计算结果显示,少量的过渡金属M取代LiNi0.5Mn1.5O4晶格中的Ni,能够有效抑制材料在电化学脱嵌锂过程中的体积变化(从锂化相到脱锂相,体积变化率约为4%,而未掺杂的情况为4.7%),提高材料循环性能.体系态密度表明金属掺杂能够减小体系的带隙,进而提高材料的电子传导.另外,通过Li离子的扩散计算,我们发现与未掺杂的LiNi0.5Mn1.5O4相比,Co掺杂使得Li在材料中两条不同扩散路径的扩散能垒分别降低了约90 meV和140 meV,表明Co掺杂有利于Li在材料中的快速扩散.     

Ti4+离子掺杂对Li3V2(PO4)3晶体结构与性能的影响

采用溶胶凝胶/碳热还原法合成了锂离子电池正极材料Li3V2(PO4)3及其掺Ti化合物Li3-2x(V1-xTix)2-(PO4)3. 电化学测试结果表明, 经Ti4+离子掺杂后材料的充放电性能及循环性能明显提高. 与纯相Li3V2(PO4)3在3.58、3.67和4.08 V出现三个平台相比, 掺杂后材料的前两个平台发生简并且平台趋于模糊的倾斜状态. 这种趋势随掺杂量的增大而增强. 差热分析(DTA)表明掺杂生成了稳定的酌相产物. 采用X射线衍射和Rietveld方法表征了化合物的晶体结构, 结果表明, 三个不同位置Li的不完全占据导致晶体中产生阳离子空穴, 使材料在常温下的离子电导率提高了3个数量级. 锂离子混排提高了样品的电导率和充放电比容量.     

硼酸盐水溶液热力学研究: 4.离子对[CaB(OH)~4]^+标准缔合 常数的确定

在温度为278.15-318.15K范围内测定了含有不同Li~2B~4O~7和CaCl~2浓度测试液的无液接电池:Pt,H~2(101.325kPa)|Li~2B~4O~7(m~1),CaCl~2(m~2)|AgCl-Ag的电动势E(V)。在Pitzer电解质溶液理论基础上,用线性外推法确定离子对[CaB(OH)~4]^+的标准缔合常数K~d,并得到K~d随温度T变化的经验公式:pK~d=0.6857-359.72/T-4.632×10^-^3T。同时计算得到了离子对缔合过程的热力学函数,指出形成该离子对的推动力是缔合熵。     

稀土掺杂对锂离子电池正极材料LiMn2O4结构及电性能的影响

利用微波加热技术合成稀土掺杂基锂离子电池正极材料LiMn2-xRExO4(RE=Y，Nd，Gd，Ce)，通过XRD、循环伏安及恒电漉充放电测试研究了稀土掺杂离子对合成正极材料结构及电化学性能的影响。XRD测试结果表明，合适的掺杂量可以起到扩展锂离子脱嵌通道和稳定骨架结构的作用，稀土离子的引入可以部分取代原有的三价锰离子，由于稀土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；循环伏安及恒电漉充放电测试结果表明稀土掺杂有效提高了LiMn2O4材料的电化学循环可逆性及循环稳定性。     

Ce1-xM′xCa0.2O1.8-0.4x (M=Y,La和Gd)

采用水热法合成了系列双掺杂的萤石结构Ce1-xLnxCa0.2O1.8-0.4x固溶体, 并研究了3种稀土离子对固溶体导电性的影响, 发现掺杂离子半径接近Ce4+时, 体系电导率增大而活化能降低. 同时发现水热合成的Ce1-xLnxCa0.2O1.8-0.4x样品的平均粒度按着掺入离子Y3+, Gd3+, La3+的顺序逐渐减小, 分别为32, 20和15 nm. 这种变化是由于Y3+半径比La3+和Gd3+更接近Ce4+, 因而在水热合成过程中, 掺Y3+的体系更有利于晶粒的生长, 得到的晶体粒度较大.     

利用荧光浓度指示剂fura-2研究稀土离子的跨膜行为

本文提出了利用fura-2测量细胞内游离稀土离子浓度的定量方法。实验结果表明, 在模拟细胞内离子组成的条件下, 稀土离子La^3^+和Y^3^+与fura-2形成1:1的配合物。其配合物的表观离解常数分别为161nmol.dm^-^3和404nmol.dm^-^3,pH7.05, 有未配对f电子的Nd^3^+, Ho^3^+, Sm^3^+, Dy^3^+,Ce^3^+, Yb^3^+等稀土离子对荧光起萃灭作用。此性质使我们能够定性鉴定它们是否进入了细胞。我们使用如上性质, 利用单细胞阳离子测试系统, 以小鼠骨髓瘤细胞为模式细胞, 研究了上游离稀土离子的跨膜行为及部分体内小分子对稀土离子跨膜行为的影响。实验结果支持游离稀土离子不能通过细胞膜的假设, 而且所研究的体内小分子在生理浓度下对稀土离子的跨膜也无明显作用。