煅烧时间对正极材料LiNi0.80Co0.15Al0.05O2浓度梯度结构及电化学性能的影响

将铝溶液按3种不同的流速连续注入,用联合共沉淀结晶控制法合成了具有核壳结构的Ni_0.80Co_0.15Al_0.05(OH)₂前驱体,即内核为均相组成的Ni_0.88Co_0.12(OH)₂,外壳为Ni、Co和Al含量呈连续变化的Ni_0.72Co_0.18Al0.10(OH)₂。将该前驱体与LiOH·H₂O混合均匀,在700℃的氧气气流下进行煅烧,通过控制煅烧时间使材料中Ni、Co和Al扩散形成含量呈连续梯度变化的且具有类球形形貌的LiNi_0.80Co_0.15Al_0.05O₂正极材料。梯度结构中Ni、Co和Al的分布情况直接影响材料的电化学性能和结构稳定性。当煅烧时间为12h时,从颗粒的核心到表面,Ni含量(原子分数)由0.855下降至0.732,Al含量由0.003增加至0.115,Co含量维持在0.142~0.163之间,而表面组成为LiNi_0.732Co_0.153Al_0.115O₂。此时材料具有良好完整的层状结构且Li⁺/Ni²⁺混排程度最低,在0.2C下的放电比容量为201.3mAh·g^-1,略低于均相LiNi_0.80Co_0.15Al_0.05O₂的放电比容量(205.8mAh·g^-1);以0.2C充电、1C放电循环200周后,其容量保留率为71.6%,优于均相组成的材料(54.6%)。这是因为镍含量低而铝、钴含量高(相对于均相材料)的外层可以有效抑制充放电循环过程中引起颗粒体积的各向异性变化,减少电极极化,从而减缓极片表面裂纹的生成和扩展,降低电池的电荷传递阻抗,从而提高循环稳定性和结构稳定性。该材料合成过程中只有在铝溶液流速切换时使pH值发生小幅度的波动,但很快恢复到稳定,可以保证前驱体具有良好的结晶性,使核壳结构易设计、控制;而后通过调控煅烧时间合成LiNi_0.80Co_0.15Al_0.05O₂,有利于进一步地精准设计材料的浓度梯度结构。     

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_(0.9)Co_(0.05)Al_(0.03)Zr_(0.02)(OH))2前驱体,与LiOH·H_2O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_(0.9)Co_(0.05)Al_(0.05))O_2。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-Na FeO_2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Ni_(0.9)Co_(0.05)Al_(0.03)Zr_(0.02)O_2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 m Ah·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 m Ah·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 m Ah·g-1,2C充放电倍率下循环100周容量保持率为85.1%。     

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%。     

表面活性剂对LiNi0.80Co0.15Al0.05O2的结构和性能影响

在共沉淀过程中添加表面活性剂聚乙二醇(PEG)或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)分别合成类球形Ni_(0.80)Co_(0.15)Al_(0.05)(OH)_2前驱体,再与氢氧化锂(LiOH·H_2O)氧化煅烧得到LiNi_(0.80)Co_(0.15)Al_(0.05)O_2(NCA)三元正极材料。利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、循环伏安(CV)、交流阻抗(EIS)和充放电循环测试等对材料的结构、形貌、电化学性能等进行表征。结果表明:PEG和PVP的添加不影响材料中Ni、Co和Al元素的比例,能够促进一次晶粒长大和提高振实密度,能够促进正极材料层状结构发育进而提高正极材料的电化学性能。添加PEG、添加PVP和未添加表面活性剂合成正极材料的振实密度分别为2.07、1.86和1.40 g·cm~(-3),在0.2C充放电过程中首次放电比容量分别为210.8、188.9和173.0 mAh·g~(-1),以0.2C充电1C放电循环100次后电池容量保持率分别为78.8%、93.2%和82.7%,添加PEG和PVP的NCA材料表现出良好的电化学性能。     

合成温度对全梯度正极材料LiNi0.7Co0.15O2的结构和电化学性能影响

通过控制结晶法和浓度梯度进料的方式制备了Ni、Co和Mn三元素组分含量呈全梯度分布的类球形Ni_0.7Co_0.15Mn_0.15（OH）₂前驱体,与LiOH·H₂O均匀混合并焙烧后获得LiNi_0.7Co_0.15O₂正极材料,系统研究了不同焙烧温度对材料Ni、Co和Mn三元素扩散情况、晶体结构及电化学性能的影响规律。通过能谱仪（EDXS）分析不同焙烧温度下材料颗粒中Ni、Co、Mn三元素的扩散程度。研究结果表明,在800℃下焙烧得到的正极材料梯度分布特征明显且电化学性能最佳,首次放电比容量为186.1 mAh·g^-1（2.8~4.3 V,0.2C）,2C大倍率充放电条件下循环200次后容量保持率为90.1%。这种材料兼具高比容量及良好的循环稳定性,可以用作下一代高能量密度锂离子电池正极材料。     

合成温度对全梯度正极材料LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2的结构和电化学性能影响

通过控制结晶法和浓度梯度进料的方式制备了Ni、Co和Mn三元素组分含量呈全梯度分布的类球形Ni_0.7Co_0.15Mn_0.15（OH）₂前驱体,与LiOH·H₂O均匀混合并焙烧后获得LiNi_0.7Co_0.15Mn_0.15O₂正极材料,系统研究了不同焙烧温度对材料Ni、Co和Mn三元素扩散情况、晶体结构及电化学性能的影响规律。通过能谱仪（EDXS）分析不同焙烧温度下材料颗粒中Ni、Co、Mn三元素的扩散程度。研究结果表明,在800℃下焙烧得到的正极材料梯度分布特征明显且电化学性能最佳,首次放电比容量为186.1 mAh·g^-1（2.8~4.3 V,0.2C）,2C大倍率充放电条件下循环200次后容量保持率为90.1%。这种材料兼具高比容量及良好的循环稳定性,可以用作下一代高能量密度锂离子电池正极材料。     

高镍系正极材料LiNi0.88Co0.07Al0.05O2的制备及性能表征

以镍钴氢氧化物为原料,采用异丙醇铝水解法合成Ni0.88Co0.07Al0.05(OH)2,将前驱体与锂源充分混合,通过3种烧结条件制备出球形LiNi0.88Co0.07Al0.05O2正极材料,借助X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)以及电化学测试等表征手段对材料的晶体结构、微观形貌和电化学性能进行了较系统的研究。研究表明,在500℃下保温3 h、700℃下保温14 h的条件下合成的LiNi0.88Co0.07Al0.05O2具有良好的综合电化学性能,0.2C放电比容量达192.2 mAh·g^-1,首次充放电效率为81.6%,1C放电比容量为190.7 mAh·g^-1,100周后放电比容量为141.1 mAh·g^-1,容量保持率达到73.4%。     

前驱体对三元正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2性能的影响

目前,工业产品的三元正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2通常使用间接共沉淀和高温固相烧结相结合的方法.共沉淀制得的氢氧化镍钴锰前驱体,其形貌和粒径分布等直接影响着三元材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的性能.使用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)表征和观察材料晶体结构和表面形貌,并测试粒径分布、振实密度和电化学性能,考察三种前驱体对制得的三元材料的影响.研究结果表明,前驱体的粒径分布直接影响材料的物理性能,表面有大量微孔而又致密的球形是较理想的前驱体形貌;焙烧后可得到结晶度高的材料,0.2C全电池放电比容量达到156.4 mAh·g-1,循环寿命优异,300周期循环其容量基本不衰减,500周期循环后容量保持率高达92%.     

镁掺杂高镍三元正极材料LiNi0.90Co0.05Mn0.05O2的合成与性能

采用高温固相法合成了一系列不同含量Mg掺杂的LiNi_0.90Co_0.05Mn_0.05O₂正极材料,并通过X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线光电子能谱等表征手段对其物相结构、颗粒形貌及电化学性能进行了研究。结果表明,掺杂Mg元素虽然会降低材料的可逆容量,但是可扩大材料晶胞体积,抑制不可逆相变,改善电极与电解液的界面稳定性,可有效提升材料的循环稳定性。其中,3%摩尔分数掺杂量的LiNi_0.90Co_0.05Mn_0.05O₂正极材料结构稳定,容量损失较少,综合性能表现较好,在0.1 C、2.8～4.3 V电压范围内,首周充放电比容量达到了197.3 mA·h/g,100周的循环保持率达到了93.6%,且5 C下放电比容量为161.1 mA·h/g。     

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)。     

LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2单晶的简易制备及其电化学性能

以Ni_0.6Co_0.2Mn_0.2(OH)₂和LiOH·H₂O为前驱体,在LiOH·H₂O不过量的条件下,采用简单的固相焙烧法,在910℃下制备出单晶LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂(NCM622)。所得材料无需水洗、烘干、退火等处理,可直接用于电极浆料的制备。电化学测试表明,所得NCM622单晶具有较高的比容量和优异的循环稳定性。在0.1C电流下的首次放电比容量达到181.2 mAh·g^-1,0.3C下的首次放电比容量为174.4 m Ah·g^-1。在0.3C的电流密度下,经过300次循环,放电比容量为150.7 mAh·g^-1,容量保持率为86.4%,经500次循环后,放电比容量仍有141.2 mAh·g^-1,容量保持率为81.0%。该电化学性能优于850℃下焙烧的多晶NCM...     

水洗和回烧工艺对高镍三元材料LiNi0.88Co0.07Al0.05O2微观结构及电化学性能的影响

以镍钴氢氧化物、异丙醇铝为原料,采用水解法合成三元前驱体Ni_(0.88)Co_(0.07)Al_(0.05)O_2,再与锂盐混合烧结得到正极材料(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、能量色散X射线谱(EDS)和恒电流充放电测试等对样品的晶体结构、微观形貌、元素价态以及电化学性能进行表征。研究表明,料液比1∶25、水洗3次、600℃回烧2 h合成的LiNi_(0.88)Co_(0.07)Al_(0.05)O_2具有较优的综合电化学性能,其在0.2C的放电比容量达207.6 mAh·g~(-1),首次充放电效率为84.8%,1C放电比容量为192.0 mAh·g~(-1),循环100周后,材料的放电比容量仍有148.0 mAh·g~(-1),容量保持率达到77.1%。     

Synthesis of spherical LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 cathode materials for lithium-ion batteries by a co-oxidation-controlled crystallization method

Spherical Ni_0.8Co_0.15Al_0.05OOH precursor,prepared by a co-oxidation-controlled crystallization method,was used to synthesize LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂.The obtained LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ materials showed excellent electrochemical performance,with an initial discharge capacity of 193.5 mAh/g and capacity retention of 95.1%after 50 cycles when cycled at 0.2℃rate between 2.8 and 4.3 V.     

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。     

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。