Li3V2(PO4)3/C正极材料在不同电压区间的电化学行为及容量衰减原因

采用溶胶-凝胶法制备锂离子电池正极材料Li₃V₂(PO₄)₃/C. 通过恒电流充放电测试、循环伏安(CV)、电化学阻抗谱(EIS)等方法, 研究了Li₃V₂(PO₄)₃/C 在不同电压区间的电化学行为(3.0-4.5 V和3.0-4.8 V). 结果表明, 3.0-4.8 V电压区间的循环性能和倍率性能均不及3.0-4.5 V电压区间的. 3.0-4.5 V区间0.1C (1C=150mA·g^-1)倍率首次放电比容量为127.0 mAh·g^-1, 循环50次后容量保持率为99.5%, 而3.0-4.8 V区间的分别为168.2 mAh·g^-1和78.5%. 经过高倍率测试后再回到0.1C倍率充放电, 3.0-4.5 V和3.0-4.8 V的放电比容量分别为初始0.1C倍率的99.0%和80.7%. 经过3.0-4.8 V电压区间测试后, 少部分第三个锂离子能够在低于4.5V的电压脱出, 使3.0-4.5 V电压区间的放电比容量提升了7.4%. CV结果表明3.0-4.8 V区间的容量损失主要表现为第一个锂离子的不可逆损失. 极片的X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)分析测试结果表明经过3.0-4.8 V测试后, Li₃V₂(PO₄)₃的结构发生了轻微的改变. 电感耦合等离子体(ICP)测试结果表明循环后的电解液中含有少量的V. 结构变形和V溶解可能是Li₃V₂(PO₄)₃在3.0-4.8 V区间容量衰减的主要原因.     

碳热还原辅助溶胶-凝胶法制备氟代聚阴离子型嵌/脱锂材料LiVPO4F/C

采用碳热还原辅助溶胶-凝胶法合成了锂二次电池正极材料LiVPO₄F/C, 探讨煅烧温度和煅烧时间对所制备材料纯度、结构和电化学性能的影响. 采用X射线衍射(XRD), 扫描电子显微镜(SEM), 恒流充放电, 电化学阻抗谱(EIS)和循环伏安(CV)等手段对不同煅烧温度和时间所得的材料进行结构表征和电化学性能测试. 当煅烧时间为4 h 时, 温度为450 ℃时, 能够得到纯相LiVPO₄F/C, 在0.1C、0.5C和1.0C倍率下, 电池放电比容量分别为193.2、175.6 和173.7 mAh·g^-1. 随着煅烧温度升高, Li₃V₂(PO₄)₃杂相逐渐增多, 650 ℃煅烧后的材料Li₃V₂(PO₄)₃ 成为主相. 优化煅烧时间也能够有效控制Li₃V₂(PO₄)₃ 杂相的生成, 能得到电化学性能良好的LiVPO₄F/C. 当煅烧温度为550 ℃时, 反应3 h后得到的产物综合电化学性能最优.     

Improved electrochemical properties in the Li3Fe2(PO4)3 by titanium and vanadium doping

Ti⁴⁺ ions were introduced to the VO₄^3- substituted Li₃Fe₂(PO₄)₃ by sol-gel method. Simultaneous substitution of Ti⁴⁺ for Fe³⁺ and VO₄^3- for PO₄^3- in the Li₃Fe₂(PO₄)₃ resulted in a net improvement in the rate capability and cycling performance, as compared with the single Ti⁴⁺ or VO₄^3- substituted compound.     

三元掺杂改性锂离子电池正极材料Li3V2(PO4)3

以柠檬酸为螯合剂和还原剂, NH₄VO₃为钒源,通过溶胶-凝胶法制备了锂离子电池正极材料Li₃V₂(PO₄)₃及其三元掺杂体系Li_2.85Na_0.15V_1.9Al_0.1(PO₄)_2.9F_0.1.分别采用X射线衍射(XRD)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、能量损失谱(EELS)、拉曼(Raman)光谱、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、恒流充放电、循环伏安(CV)和交流阻抗谱(EIS)等技术对材料的微观结构、颗粒形貌和电化学性能进行分析.结果表明:在残余碳包覆的基础上, Na、Al、F三元掺杂有利于稳定Li₃V₂(PO₄)₃的晶体结构,进一步减少颗粒团聚和提升材料导电特性,促进第三个锂离子的脱出和嵌入,从而显著改善Li₃V₂(PO₄)₃的实用电化学性能.未经掺杂的Li₃V₂(PO₄)₃原粉在1/9C、1C和6C倍率下的可逆比容量分别为141、119和98 mAh·g^-1,而三元掺杂改性材料在1/9C、1C、8C和14C倍率下的比容量分别为172、139、119和115 mAh·g^-1.在1C倍率下循环300圈后,掺杂体系的比容量依然高达118 mAh·g^-1,比原粉高出32.6%.值得注意的是,这种三元掺杂还使Li₃V₂(PO₄)₃的多平台放电曲线近似转变为一条斜线,显示出可能不同的储锂机制.     

LiV3O8在Li2SO4水溶液中的电化学性能

采用低温固相法合成了具有纳米结构的LiV₃O₈材料.扫描电子显微镜（SEM）及透射电子显微镜（TEM）测试显示该材料具有纳米结构.X射线衍射（XRD）表明该材料属于单斜晶系,P2₁Im空间群.并采用循环伏安法（CV）及电化学阻抗谱图测试对该材料在1、2 mol·L^-1Li₂SO₄水溶液及饱和Li₂SO₄水溶液中的电化学行为进行了研究.结果表明,LiV₃O₈在饱和Li₂SO₄水溶液中具有最好的电化学性能.以LiV₃O₈作为负极材料,LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂作为正极材料,饱和Li₂SO₄水溶液作为电解液组成了水性锂离子电池,进行恒流充放电测试,结果表明,在0.5C(1C=300 mA·g^-1)的充放电倍率下,该水性锂离子电池的首次放电比容量为95.2 mAh·g^-1,循环100次后仍具有37.0 mAh·g^-1的放电比容量.     

锂离子电池负极材料Li3V2(BO3)3/C 复合材料的合成及电化学性能研究

本文以草酸锂、五氧化二钒、硼酸为原料,二水合草酸为碳原和还原剂,无水乙醇为分散剂,采用球磨法合成了Li₃V₂(BO₃)₃/C（LVB/C）复合材料前驱体,后经高温热处理得到LVB/C复合材料. 采用TG-DTA技术对前驱体进行了热分析,通过XRD、SEM、EDS等技术研究了烧结条件对 LVB/C 材料的晶体结构、微观形貌、含碳量的影响. 通过恒流充放电测试、循环性能测试、循环伏安测试和电化学阻抗测试等技术研究了烧结条件对 LVB/C 材料电化学性能的影响. 电化学测试结果表明,800 ℃下烧结10 h得到的样品电化学性能最佳,在50mA•g^-1电流密度下,首次充放电比容量分别为427.6mAh•g^-1和669.1 mAh•g^-1,循环10次后,容量保持率分别为55.4 %和35.2 %.     

锂离子电池负极材料Li4Ti5O12的合成及性能研究

本文通过乙酸锂与二氧化钛反应,采用一步高温固相法在不同反应温度（750 °C/800 °C/850 °C）和反应气氛（氮气/空气）下合成Li₄Ti₅O₁₂材料. 通过热重分析、X射线衍射、扫描电子显微镜、循环伏安曲线和充放电曲线分析了Li₄Ti₅O₁₂的晶体结构,观察其微观形貌,并测试其电化学性能. 结果表明,800 °C氮气烧结得到的Li₄Ti₅O₁₂（L-800N）材料粒径较小,该材料在1.0C倍率下的首周期放电比容量达到170.7 mAh·g^-1,100周期循环后的容量保持率高达94.6%,即使是10C高倍率其首周期放电容量依然有143.0 mAh·g^-1,表现出了良好的倍率和循环寿命性能.     

Mn3O4/石墨烯复合材料的制备与电化学性能研究

本文以氧化石墨烯（GO）溶液为氧化剂,采用水热法使GO直接氧化Mn(Ac)₂制备Mn₃O₄/石墨烯复合材料,并通过在制备过程中加入氨水提高了复合材料中GO的还原程度与Mn₃O₄颗粒的分散性. 制得的Mn₃O₄/石墨烯复合材料表现出优异的电化学性能. 在0.5 A·g^-1的电流密度下复合材料质量比容量可达到850 mAh·g^-1,0.5 A·g^-1时充放电循环测试200周容量保持率为99%.     

ZnCl2活化玉米秸秆炭化物的制备及其储锂性能研究

以玉米秸秆为原料,经高温煅烧制备了玉米秸秆炭化物（C1）和ZnCl₂活化玉米秸秆炭化物（C2）。利用扫描电子显微镜（SEM）、N₂等温吸-脱附测试和恒电流充放电对材料进行结构、电化学性能分析。结果表明：C2具有较大的比表面积（425.06 m₂·g^-1）和丰富的孔道结构;电流密度为100 mA·g^-1时,C1和C2的首次放电和充电比容量分别为540.2 mAh·g^-1, 277.2 mAh·g^-1和1 156.0 mAh·g^-1, 517.6 mAh·g^-1; 600 mA·g^-1电流密度下循环300次后,C2的放电比容量可保持在379.8 mAh·g^-1, C2具有较高的可逆比容量和良好的循环稳定性。     

硫酸盐功能电解液增强水系钠离子电池NaTi2(PO4)3/C负极材料电化学性能的研究

水系钠离子电池具有钠资源丰富、成本低廉、安全可靠、维护简单等特点,在可再生能源规模储存领域具有重要应用前景。NASICON型NaTi₂(PO₄)₃具有可逆容量高、工作电位低、离子传输快等优点,是目前最受关注的水系钠离子电池负极材料。但是,该材料在传统的水系电解液中结构不稳定,循环性能不足。本论文通过调控Na₂SO₄浓度和引入MgSO₄添加剂,构建了一种新型硫酸盐功能电解液(2 mol·L^-1 Na₂SO₄ + 0.3 mol·L^-1 MgSO₄)。该电解液能够显著增强NaTi₂(PO₄)₃/C材料在充放电循环过程中的结构稳定性,从而提高其电化学可逆性和稳定性。电化学测试表明,NaTi₂(PO₄)₃/C基于该电解液在100 mA·g^-1条件下的可逆容量为93.4 mAh·g^-1,循环100次后容量保持率高达96.5%;基于该电解液构建的Na₂Ni[Fe(CN)₆]|NaTi₂(PO₄)₃/C电池可以稳定循环500次以上。本论文结合XRD、XPS等技术讨论分析了该电解液的功能作用机制,其研究结果为设计低成本高性能水系钠离子电池提供了新思路和实验基础。     

磷酸钒锂/石墨烯复合正极材料的制备及表征

通过三聚氰胺甲醛树脂(MR)中的羟基与石墨烯氧化物(GO)中的羧基发生的沉淀反应来制备功能化的氧化石墨烯前驱体,然后利用溶胶-凝胶及高温热处理方法制备磷酸钒锂/石墨烯复合材料,利用此材料制备了电池电极,并对电极材料进行了结构和电化学表征。结果表明,所得磷酸钒锂为单斜晶系结构,石墨烯堆叠程度显著降低,也有效避免了磷酸钒锂颗粒的团聚,提高了材料的电化学性能。电池的充放电曲线极化较小,在3.0~4.3 V的区间内20 C倍率仍有86 mA·h/g的可逆容量。0.1 C循环100次后容量为119.7 mA·h/g,容量保持率94%。在3.0~4.8 V的高电压区间,10 C倍率下可逆容量80 mA·h/g,0.1 C循环100次后仍有145.6 mA·h/g的可逆容量。优异的循环和倍率性能以及较低的碳含量符合锂离子正极材料实用的要求。     

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%.     

流变相法制备海藻酸基碳包覆Li3V2(PO4)3材料的电化学性能

Li₃V₂(PO₄)₃/C (LVP/C) cathode materials were successfully prepared by a rheological phase method using alginic acid as the carbon source. The X-ray diffraction (XRD) patterns demonstrate that all the samples contain pure LVP with the same monoclinic structure. The scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) images show that LVP/C materials have a uniform particle size. The LVP/C sample with 10% (w) alginic acid shows the best cycling stability. It delivers a discharge capacity of 117.5 mAh·g^-1 (3.0-4.3 V), which can be maintained at 116.5 mAh·g^-1 after 50 cycles at a rate of 0.1C. Its capacity retentions of 99.1% (3.0-4.3 V) and 76.8% (3.0-4.8 V) after 50 cycles are prominently higher than those of pristine Li₃V₂(PO₄)₃, which are 89.7% (3.0-4.3 V) and 62.39% (3.0-4.8 V). These outstanding electrochemical performances are mainly attributed to the alginic acid-based carbon coating, which can increase the electronic conductivity of materials and buffer the mechanical damage of the active materials during the Li ion insertion/extraction process, thus improving the electrochemical performance of the LVP/C samples.     

Nd3+-doped Li3V2(PO4)3 cathode material with high rate capability for Li-ion batteries

A series of Nd3+-doped Li3NdxV2àx(PO4)3(x = 0.00, 0.02, 0.05, 0.08 or 0.1) composites are synthesized by the rheological phase reaction method. The XRD results indicate that Nd3+ions have been successfully merged into a lattice structure. Doped samples show good electrochemical performance in high discharge rate and long cycle. In the potential range of 3.0–4.3 V, Li3Nd0.08V1.92(PO4)3exhibits an initial discharge capacity of 115.8 m Ah/g at 0.2 C and retain 80.86% of capacity retention at 2 C in the 51 st cycle.In addition, Li3Nd0.05V1.95(PO4)3holds at 100.4 m Ah/g after 80 cycles at 0.2 C with a capacity retention of92.4%. Finally, the CV test proves that the potential polarization of Li3Nd0.08V1.92(PO4)3decreased compared with the un-doped one.     

高倍率性能锂离子电池Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2正极材料的制备及其电化学性能

采用改进的碳酸盐共沉淀与高温固相法相结合的方法制备出了高倍率性能的锂离子电池正极材料Li[Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3]O₂, 通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、循环伏安扫描(CV)、电化学阻抗谱(EIS)和电化学性能测试等手段对材料进行表征. 结果表明, 该方法制备的材料具有良好的α-NaFeO₂型层状结构(R3m(166)), 一次粒径平均大小为157 nm, 二次颗粒成球形. 同传统碳酸盐制备得到的材料相比, 该材料具备良好的倍率性能和循环性能, 在2.7-4.3 V 电压范围内, 0.1C (1.0C=180 mA·g^-1)倍率下, 首次放电比容量为156.4mAh·g^-1, 库仑效率为81.9%. 在较高倍率下, 即0.5C、5.0C和20C时, 其放电比容量分别为136.9、111.3、81.3mAh·g^-1. 在1C倍率下100次循环容量保持率为92.9%, 高于传统共沉淀法得到的材料(87.0%).     

锂离子电池富锂锰基正极材料的研究进展

随着新能源如电动汽车、储能电站的蓬勃发展,人们对下一代高性能锂离子电池的能量密度、功率密度和循环寿命提出了更高的要求. 而富锂锰基正极材料xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂（0 < x < 1,M = Mn、Co、Ni…）具有可逆比容量高（240 ~ 280 mAh·g^-1,2.0 ~ 4.8 V）、电化学性能较佳、成本较低等优点,已吸引了研究者的关注,有望成为下一代锂离子电池用正极材料. 本实验室采用固相法和溶胶-凝胶法制备不同的富锂锰基正极材料,其中,溶胶-凝胶法制得的Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13]O₂电极首周期放电比容量277.3 mAh·g^-1,50周期循环后容量272.8 mAh·g^-1,容量保持率98.4%. 本文重点结合本实验室的研究工作,对新型富锂锰基正极材料xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂的结构、合成、电化学性能改性和充放电机理等进行总结与评述.