长寿命高镍无钴锂离子正极材料的制备

通过调整不同配锂量、不同焙烧温度以及包覆改性对高镍无钴二元材料性能的影响因素进行了研究。对不同原样和其改性后的材料进行了X射线粉末衍射(XRD)分析和首次充放电性能和倍率性能、循环性能等电化学性能测试。其中过锂量(质量分数)为5%,焙烧温度为820℃的材料性能优异,其首次放电比容量为171.6 mAh·g^-1,1C和3C的放电比容量分别为147.8、129.8 mAh·g^-1。对材料进行锰化合物(质量分数1.0%)包覆处理后,材料的残碱量下降明显,加工性能优异,倍率性能得到明显改善,1C和3C的放电比容量分别提升为156.5、141.8 mAh·g^-1。2Ah软包电池常温循环830周容量保持率为80%,高温循环345周容量保持率为80%。     

高镍正极材料中钴元素的替代方案及其合成工艺优化

高镍三元正极材料LiNi_xMn_yCo_1-x-yO₂ (x > 0.8)因其高能量密度而备受瞩目。在高镍三元正极材料中,Co不但有助于增强层状正极材料结构稳定性,而且能够提高正极材料导电性能,因此被认为是一种非常重要的元素。但是由于目前全球范围内钴矿资源紧缺,在一定程度上限制了含钴正极材料在新能源电动汽车领域的发展应用。基于此,本文将不同的过渡金属离子掺杂到高镍层状材料中形成无钴化正极材料,并进行高镍正极材料无钴化的可行性分析。通过实验对比发现,资源存储量丰富并且价格低廉的Zr在一定程度上可以取代Co元素,得到的正极材料LiNi_0.85Mn_0.1Zr_0.05O₂表现出良好的电化学性能,在0.2C倍率以及2.75–4.3 V的截止电压范围内,其放电比容量为179.9 mAh·g^-1,80周容量保持率为96.52%。     

镍酸锂系正极材料倍率性能的研究进展

为了获得更高的能量密度和更低的成本,高镍化和无钴化成为了镍基正极材料发展的趋势。在各类高镍无钴正极材料中,镍酸锂（LNO）系正极材料因具有较高的能量密度和较低的成本成为了研究的热点,然而其倍率性能较差,难以满足电动汽车、 3C数码产品及储能领域日趋增长的快充需求。因此,如何提高其倍率性能,成为了亟待解决的关键问题。本文从原子-晶体-颗粒尺度出发,系统阐述了Li+/Ni2+混排、相变、非理想化学计量配比、颗粒形貌和界面副反应等因素对LNO系正极材料倍率性能的影响,并归纳出制约倍率性能的三个关键因素：体相结构稳定性、界面结构稳定性和锂离子扩散能力。为提高LNO系正极材料的倍率性能,基于以上制约因素提出结构优化（掺杂改性、包覆改性、结构设计）、体系优化（正极掺混、优化电解液添加剂）和工艺优化（优化合成工艺、优化循环制度）等改性策略。最后,基于LNO系正极材料的发展现状,指出了LNO系正极材料发展过程中面临的新挑战。     

高镍三元正极材料的表面包覆策略

锂离子电池(LIBs)因具有更高的重量/体积能量密度、 更长的使用寿命、 更低的自放电率等优点而逐渐被广泛应用. 相比于已经广泛使用的钴酸锂和磷酸铁锂等正极材料, 高镍三元正极材料Li[Ni_1-x-yCo_xMn_y]O₂(NCM)以其高电压和高容量等优点, 逐渐成为下一代高能锂离子电池的首选正极材料之一. 尽管高镍NCM正极材料具有上述优点, 但在进一步的实际应用前还需解决其循环稳定性、 倍率性能和安全性等问题, 这些问题主要源于NCM材料本身的晶体结构不稳定、 正极-电解液间界面副反应及高界面电阻等. 针对这些问题, 目前对高镍NCM正极电化学性能优化的大量研究都与电极-电解液界面有关, 如何通过改善界面稳定性、 增加离子在固液界面的迁移率、 抑制界面副反应、 提高正极材料的稳定性进而改善电池性能成为了关注焦点. 本文总结了目前对于其电化学性能衰减的机理解释, 分类概括了包括电化学惰性包覆锂、 残积物清除剂包覆和锂离子良导体包覆等对于高镍NCM正极材料的颗粒表面包覆策略, 简述了一些新兴的包覆策略, 并对高镍NCM正极材料的发展方向和前景提出了展望.     

锂离子电池正极材料层状LiMnO2的掺杂改性

层状LiMnO2具有成本低、无毒和比容量高等优点，是一种非常有发展前景的正极材料。本文介绍了近年来国内外层状LiMnO2的研究进展。主要阐述了层状LiMnO2的结构与性能的关系。结合笔者的工作，着重探讨了离子掺杂改性对层状LiMnO2的电化学性能的影响。最后，简要指明了层状LiMnO2将来的可能研究方向。     

阴阳离子复合掺杂对尖晶石型正极材料的影响

采用高温固相法合成了复合离子掺杂的尖晶石型锰酸锂Li_1.02CraCobLacMn₂－a－b－cFyO₄－y(a，b，c＝0，0.01，0.02；y＝0，0.02)正极材料. XRD表征合成物均具有良好的尖晶石型结构. 充放电表明多元复合掺杂产物Li_1.02Cr_0.01Co_0.02La_0.01Mn_1.96F_0.02O_3.98作为锂离子电池正极材料较未掺杂或仅掺杂阳离子的材料能够更好地抑制可逆容量在充放电循环中的衰减，80次循环充放电比容量（120.1～113.5 mAh•g-1）仍保持94.5％以上. 高温(55 ℃)循环性能也有较大的改善. 交流阻抗测试结果表明该材料在充放电平台附近有较小的阻抗和良好的充放电可逆性.     

锂离子电池高镍正极材料掺铝的作用及掺铝方法的研究

为了探究铝对高镍层状氧化物在结构、形貌及性能方面的影响,本文采用两种不同的方式掺铝以制备NCA正极材料 （LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂）：一是固相法即将共沉淀合成的NC前驱体（Ni_0.84Co_0.16(OH)₂）在混锂烧结过程混入铝源（纳米Al₂O₃或Al(NO₃)₃）;二是共沉淀法即直接在合成前驱体过程中混入铝源（Al₂(SO₄)₃或NaAlO₂）即合成NCA前驱体（Ni_0.8Co_0.15Al_0.05(OH)_2.05）后再混锂烧结. 结果表明,掺铝能够降低阳离子混排程度、维持层状结构的稳定性,改善材料在充放电循环过程的放电电压及中值电压大幅下降的情况,提高其循环性能. 其中以NaAlO₂为铝源合成NCA前驱体所制备的NCA材料性能最优：在3.0 ~ 4.3 V充放电区间,0.1C倍率下首圈放电比容量达198 mAh·g^-1,首次库仑效率可达94.6%,1C倍率下循环200圈后容量保持率达70%.     

锂离子电池正极材料层状LiMn02的掺杂改性

层状LiMnO2具有成本低、无毒和比容量高等优点,是一种非常有发展前景的正极材料.本文介绍了近年来国内外层状LiMnO2的研究进展.主要阐述了层状LiMnO2的结构与性能的关系.结合笔者的工作,着重探讨了离子掺杂改性对层状LiMno2的电化学性能的影响.最后,简要指明了层状LiMnO2将来的可能研究方向.     

锂离子电池正极材料LiFePO4在Fe位掺杂的研究进展

橄榄石型LiFePO4是近年发展起来的一种锂离子电池正极材料,但是LiFePO4的电子导电率低和锂离子扩散速度慢限制了其实用化,需要改进.其中一种很有效的方法就是在LiFePO4的晶格中掺杂金属离子,使其产生晶格缺陷,促进Li+扩散,改善晶体内部的导电性能.LiFePO4有Li(M1)和Fe(M2)2个金属位,可使用金属离子对其改性.本文综述了对锂离子电池正极材料LiFePO4在Fe(M2)位掺杂的研究进展.LiFePO4在Fe(M2)位的掺杂主要采用Mn2+,Ni2+,Co2+,Mg2+等几种金属离子.     

掺杂对钠离子电池正极材料性能影响机制的研究

钠元素在地壳中的丰度是锂元素的1000倍,资源丰富,价格低廉。同时,钠离子电池负极可采用廉价的铝箔替代铜箔,且低温特性更加优异,在能量型、备用型储能场景均具有较好应用前景,因而钠离子电池被认为是下一代大规模储能技术的理想选择之一。然而,相对锂离子而言,钠离子较大的离子半径和质量极大限制了其在电极材料中的可逆脱嵌,导致电池的工作电压和能量密度相对较低。在钠离子电池材料体系中,正极材料的研究尤为需要长足的进步。本文对现有的典型钠离子电池正极材料进行了综述,包括层状金属氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类化合物,并重点分析了掺杂对钠离子电池正极材料性能的影响。通过元素掺杂可提高材料的循环可逆性、增加其可逆容量、提升钠离子扩散动力学性能,能够在一定程度上改变晶格的性质,增强晶格稳定性、电子导电性、钠离子嵌脱动力学性能等。本文总结了掺杂应用在现有材料中获得的成果,并对正极材料未来的研究方向以及发展前景提出了展望。     

Thermochemical investigation of Zr doping in LiNi8/12Co2/12Mn2/12O2 based on phase equilibria simulation

The doping behavior of Zr in LiNi_8/12Co_2/12Mn_2/12O₂ (LNCM) is investigated by a simulation of the phase equilibria for the Li-(M^*,Zr)-O system (M^* = Ni, Co, Mn) based on first-principles calculations followed by a thermochemical post-analysis of the resultant phase diagrams. The results indicate that the stable state at the synthetically stoichiometric composition of LNCM with Zr is a mixture of undoped LNCM with a Li₂ZrO₃ secondary phase; doping of Zr in the LNCM crystal is not thermodynamically favored. The energies of various states comprising LNCM supercells with defects, secondary phases, and Zr doping are examined, and the equilibrium doping concentration of Zr is calculated by considering the entire LNCM:Zr crystal as a statistical combination of these states. The doping concentration of Zr in the LNCM crystal is calculated to be very low, which enables balanced control between doping and coating, as recently reported through experimentation. The dopability of Zr is expected to increase with the depletion of O₂ supply during the heating of a system with a precisely controlled Li to M^* ratio, but this behavior is affected by the formation of defects, especially by M^* substitution for Li.     

掺杂P,Al和La元素的锂离子电池材料的微波合成研究

采用微波合成法制备了含掺杂P,Al和La元素的正极材料LiCoO2,确定了工艺条件,包括反应时间、微波功率和反应温度.采用XRD,SEM和电化学测试仪研究了添加元素对LiCoO2结构和电化学性能的影响.研究发现,微波功率和反应时间对产物的结构有比较明显的影响.充放电试验结果表明,掺加La元素正极材料LiCoO2首次充放电容量达到了130 mAh.g-1.     

锰离子掺杂对LiCoPO4性能的影响

应用溶胶-凝胶法合成了锰掺杂的LiCoPO4正极材料.X射线衍射、扫描电镜和循环伏安等电化学测试表明,少量锰离子掺杂不影响LiCoPO4的晶格结构,且明显改善了LiCoPO4正极材料电化学性能.锰掺杂量为1%时得到的LiMn0.01Co0.99PO4正极材料具有最好的电化学性能,以0.1C倍率放电时,首次放电比容量可达130.6 mAh/g.     

熔融浸渍法制备锂离子电池正极材料LiMn2O4的研究

采用LiNO3和MnO2为原料,在650℃下制备了尖晶石型的LiMn2O4.通过X射线衍射、扫描电子显微镜、热重分析和电化学性能测试,发现该化合物具有很高的放电比容量和较好的循环性能,首次放电比容量可达到122 mA·h/g.并对循环性能衰减的各种因素进行了讨论.     

LiNi0.5Mn1.5O4-xFx高电压电极高温保存下的电化学行为

采用溶胶-凝胶法结合高温热处理制备了锂离子电池用5 V正极材料LiNi0.5Mn1.5O4-xFx(x=0, 0.1). 通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和低温氮吸附法(BET)表征了粉体材料的结构、表面形貌和比表面特性, 并以其为正极材料装配电池后, 在85 ℃下高温保存24 h, 测量了保存前后电池的一系列电化学性质变化. 结果表明, 高温保存时电池开路电压会因自放电而较快地下降. 材料的比表面积和氟掺杂显著地影响电池的电压保持能力. 比表面积愈大, 电压保持时间愈短. 氟掺杂有利于提高电池在高温条件下的电压稳定性, 并可以改善电极与电解液之间的界面性质,使充放电性能更好.     

Facile synthesis and performance of polypyrrole-coated sulfur nanocomposite as cathode materials for lithium/sulfur batteries

In situ chemical oxidation polymerization of pyrrole on the surface of sulfur particles was carried out to synthesize a sulfur/polypyrrole （SIPPy） nanocomposite with core-shell structure. The composite was characterized by elemental analysis, X-ray diffraction, scanning/transmission electron microscopy, and electrochemical measurements. XRD and FTIR results showed that sulfur well dispersed in the core-shell structure and PPy structure was successfully obtained via in situ oxidative polymerization of pyrrole on the surface of sulfur particles. TEM observation revealed that PPy was formed and fixed to the surface of sulfur nanoparticle after polymerization, developing a well-defined core-shell structure and the thickness of PPy coating layer was in the range of 20-30 nm. In the composite, PPy worked as a conducting matrix as well as a coating agent, which confined the active materials within the electrode. Consequently, the as prepared SIPPy composite cathode exhibited good cycling and rate performances for rechargeable lithium/sulfur batteries. The resulting cell containing SIPPy composite cathode yields a discharge capacity of 1039 mAh·g^-1 at the initial cycle and retains 59% of this value over 50 cycles at 0.1 C rate. At 1 C rate, the SIPPy composite showed good cycle stability, and the discharge capacity was 475 mAh·g^-1 after 50 cycles.     

钾、氯离子共掺杂纳米Li2FeSiO4/C正极材料的电化学性能

利用K⁺、Cl^-共掺杂来优化纳米Li₂FeSiO₄/C正极材料的结构及电化学性能,通过固相反应制备了纳米Li_2-xK_xFeSiO_4-0.5xCl_x/C(x=0、0.01、0.02)正极材料。采用X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱和恒流充放电等对比研究了3种正极材料的微观结构特征和电化学性能。研究表明纳米Li_1.99K_0.01FeSiO_3.995Cl_0.01/C正极材料的晶面间距和晶胞体积最大,颗粒粒径最小,平均粒径为32 nm。这些特定的微观结构使其表现出最优的电化学性能。纳米Li_1.99K_0.01FeSiO_3.995Cl_0.01/C在0.1C下的首次放电比容量高达203 mAh·g^-1,在1C下充放电循环100次的容量保持率为97.72%。     

表面化学侵蚀改性富锂层状正极材料Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2

采用3种不同pH值的去离子水,NH₄NO₃和H₂C₂O₄溶液对富锂层状正极材料Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13]O₂进行表面化学侵蚀改性,旨在改善其整体电化学性能。ICP结果表明pH值对材料中Li的析出具有显著影响。X射线衍射（XRD）表明表面化学侵蚀对材料的结构有影响。拉曼光谱（Raman spectroscopy）表明材料表面结构发生了变化。H₂C₂O₄溶液侵蚀过的样品的首次效率有了极大提高,但同时中值电压和循环性能显著恶化。NH₄NO₃溶液侵蚀过的样品的首次效率从63%提高到了85%,1C倍率下的放电比容量从149 mAh·g^-1提高到194 mAh·g^-1,同时保持了温和的中值电压变化曲线。通过高分辨透射电镜（HRTEM）,X射线光电子能谱（XPS）和电化学阻抗谱（EIS）对改性机理进行了研究。     

表面化学侵蚀改性富锂层状正极材料Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2

采用3种不同pH值的去离子水,NH₄NO₃和H₂C₂O₄溶液对富锂层状正极材料Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13]O₂进行表面化学侵蚀改性,旨在改善其整体电化学性能。ICP结果表明pH值对材料中Li的析出具有显著影响。X射线衍射（XRD）表明表面化学侵蚀对材料的结构有影响。拉曼光谱（Raman spectroscopy）表明材料表面结构发生了变化。H₂C₂O₄溶液侵蚀过的样品的首次效率有了极大提高,但同时中值电压和循环性能显著恶化。NH₄NO₃溶液侵蚀过的样品的首次效率从63%提高到了85%,1C倍率下的放电比容量从149 mAh·g^-1提高到194 mAh·g^-1,同时保持了温和的中值电压变化曲线。通过高分辨透射电镜（HRTEM）,X射线光电子能谱（XPS）和电化学阻抗谱（EIS）对改性机理进行了研究。     

磷酸铁锂正极材料的缺陷机理与改性技术路径

磷酸铁锂(LiFePO₄,简称LFP)因其良好的安全性、稳定的充放电平台和原料来源广泛等优点,成为当前应用最广泛的正极材料之一。然而,LFP倍率性能较差,且在低温环境下容量大幅衰减,限制了其在动力电池和特殊环境下的应用。本文从多角度分析了LFP存在缺陷的机理,并总结了几种主要的改性技术路径及作用原理。最后,对LFP未来的发展方向提出了相应的展望。