铝掺杂及钨酸锂表面包覆双效提升富锂锰基正极材料的循环稳定性

采用溶胶-凝胶法合成Al掺杂富锂锰基Li_1.2Mn_0.54-xAl_xNi_0.13Co_0.13O₂（x=0、0.03）锂离子电池正极材料,之后采用一步液相法制备Li₂WO₄包覆层,系统地研究了Al掺杂和Li₂WO₄包覆双效改性对富锂锰基正极材料电化学性能的影响.结果表明,Al掺杂后明显提升富锂锰基正极材料的循环稳定性,包覆层Li₂WO₄明显改善其倍率性能和放电平台电压衰减问题.Li₂WO₄包覆量为5% Li_1.2Mn_0.51Al_0.03Ni_0.13Co_0.13O₂正极材料在2.0~4.8 V充放电电压区间及1000 mA·g^-1电流密度下比容量仍高达110 mAh·g^-1左右,同时在100 mA·g^-1的电流密度下循环300次容量保持率为78%,而且循环过程中放电平台电压衰减也明显减缓.该工作为解决锂离子电池富锂锰基正极材料循环稳定性和平台电压衰减提供了新的思路.     

锂离子电池正极材料Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2研究进展

富锂锰基正极材料Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂因具有超过250 mA·h·g^-1的可逆比容量和高工作电压(>3.5 V. Li/Li⁺)以及经济成本低的特点，在便携式电子设备中发挥着重要的作用，也被认为是下一代混合动力汽车(HEV)和电动汽车(EV)的理想动力源，是一种有前途的正极材料。由于富锂锰基正极材料存在低倍率容量、电压衰减严重、初始容量损失大的问题，因此提高电池的容量和寿命是目前研究的重点。为此综述了锂离子电池富锂锰基正极材料Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂的储锂机理、制备方法以及改性研究。     

锂离子电池用富锂正极材料的研究进展

富锂材料xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂（0-1）和低廉的价格已引起人们的广泛兴趣. 但其首次充放电循环的较大不可逆容量损失、较差的倍率性能和循环过程的材料相变等关键问题制约了其发展. 富锂材料结构解析和充放电机理探索一直是研究的热点. 目前,富锂材料是否为固溶体仍有争论,首次充电4.5 V平台的氧流失机理已得到确认. 为了提高富锂材料的电化学性能,可从体相掺杂、表面包覆和结构形貌控制等方面对材料进行改性,其电化学性能有显著提升. 本文综述了富锂材料最新研究进展,归纳了相关制备方法,重点介绍了富锂材料的结构特点、锂嵌脱机理和改性方法,并展望了今后的研究方向.     

磷酸锂原位包覆富锂锰基锂离子电池正极材料

本工作通过“碳酸盐共沉淀-沉淀转化-固相反应”方法,实现磷酸锂原位包覆和改性富锂锰基锂离子电池正极材料Li_1.2Mn_0.54Co_0.13Ni_0.13O₂,研究了磷酸锂包覆层的形成过程及其对电化学性能的影响.结果显示,碳酸盐前驱体经沉淀转化反应原位形成磷酸镍包覆层,与锂源混合煅烧,最终转化为厚度小于30 nm的磷酸锂包覆层.该材料组装的半电池在125 mAh·g^-1电流密度下循环175圈后容量达191.1 mAh·g^-1,容量保持率为81.8%,平均每圈电压衰减仅为1.09 mV.磷酸锂包覆层缓解了材料表面与电解液之间的副反应,抑制了不可逆相变和过渡金属溶出,同时磷酸锂作为锂离子导体促进锂离子传输.本工作表明沉淀转化法原位包覆磷酸锂是提升富锂锰基正极材料性能的有效途径.     

富锂锰基正极材料的改性及其电化学性能研究

采用溶剂热法成功制备了富锂锰基正极材料Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂(LLO),通过铈离子掺杂和Nb₂O₅包覆,获得新型改性富锂锰基正极材料CNLLO。与LLO相比,比镍、钴、锰离子半径更大的铈离子的掺入增加了CNLLO的层间距,提高了锂离子扩散速率;Nb₂O₅包覆层抑制了CNLLO表面的副反应,限制了晶体结构的转变,提高了CNLLO的稳定性。在10 C倍率下,CNLLO的放电比容量(128.0 mAh·g^-1)高于LLO(85.6 mAh·g^-1)。此外,CNLLO还表现出优异的循环性能,1 C下循环200次后容量保持率和平均放电电压衰减值分别为80.2%和415.3 mV。因此,所制备的CNLLO正极材料具有优异的电化学性能,在锂离子电池中具有广阔的应用前景。     

锂离子电池用富锂层状正极材料

正极材料与负极材料是锂离子电池重要组成部分。目前锂离子电池负极材料比容量通常在300mAh/g以上,而正极材料比容量始终徘徊在150mAh/g。正极材料正在成为锂离子电池性能进一步提升的瓶颈。富锂层状正极材料是一类新型正极材料,其可逆容量在200mAh/g以上,其高容量特性引起人们的广泛关注。这类材料可以用xLi₂MO₃·(1-x)LiM'O₂ (M 为Mn, Ti, Zr之一或任意组合; M'为Mn, Ni, Co之一或任意组合; 0≤x≤1)形式表示。由于其组成与结构的特殊性,这类富锂层状正极材料的充放电机理也不同于其它含锂过渡金属氧化物正极材料。本文介绍富锂层状正极材料的合成、结构与充放电机理,重点介绍近年来通过改性提高其电化学性能方面的研究进展,指出目前富锂材料研究中存在的问题,探讨未来的研究重点。     

芘基共轭微孔聚合物用于锂离子电池电极材料性能研究

共轭微孔聚合物由于其高的比表面积、优良的物理化学稳定性以及沿分子链延伸的共轭结构等特点,使其在锂离子电池电极材料方面具有巨大的应用前景.本工作以四溴芘和对苯二硼酸为构建单元,通过Suzuki偶联反应合成了具有高比表面积的芘基共轭微孔聚合物PyDB,并研究了其作为锂离子电池电极材料的电化学性能.当PyDB用作锂离子电池正极材料时,在50 mA·g^-1的电流密度下,放电容量达到163 mAh·g^-1,即使在3000 mA·g^-1的电流密度下仍具有62 mAh·g^-1的可逆容量,在100 mA·g^-1的电流密度下循环300次仍具有167 mAh·g^-1的容量.当该聚合物用作负极材料时,在50 mA·g^-1电流密度下的放电容量达到495 mAh·g^-1,在200 mA·g^-1的电流密度下循环300次,仍具有245 mAh·g^-1的容量.PyDB优异的电化学性能主要归因于其延伸的共轭结构和高比表面积的多孔结构,大的共轭结构有利于分子链的掺杂反应和电子传导,高比表面积的多孔结构有利于提供大量的活性位点并促进离子的迁移.     

富锂锰基正极材料的表面改性研究进展

随着电动汽车和储能电站等电力设备的快速发展,对高能量密度的锂离子电池的需求日益增加.高比容量（>250 mAh·g^-1）的富锂锰基正极材料,有望成为锂离子电池实现高比能量（>350 Wh·kg^-1）的关键正极材料.富锂锰基正极材料的Li₂MnO₃相和晶格氧参与电化学反应使其拥有了高容量,但这也导致表面结构和成分容易发生变化,进而造成富锂锰基正极材料存在着诸如首次库伦效率低、倍率性能差和循环后电压和容量衰减严重等问题.因此,本文综述了富锂锰基正极材料的表面包覆、表面掺杂和表面化学处理三种表面改性方法,并进一步讨论了三种表面改性方法对材料性能提升的机制机理和优缺点.在此基础上,介绍了近些年基于多方法的表面联合改性工作.通过对富锂锰基正极材料进行表面联合改性,不仅可以改善其结构稳定性和抑制电极/电解液界面副反应,而且可以缓解其在循环过程中不断发生的结构转变和晶格氧的析出问题.最后,对富锂锰基正极材料表面改性研究方向进行了总结和展望.     

还原氧化石墨烯/TiO2复合材料在钠离子电池中的电化学性能

二氧化钛(TiO₂)作为有前景的钠离子电池负极材料, 具有良好的循环稳定性, 但由于其导电率较低, 而导致容量和倍率性能不佳限制了其实际应用. 本文采用喷雾干燥技术制备了氧化石墨烯/纳米TiO₂复合材料(GO/TiO₂), 通过热处理获得还原氧化石墨烯/TiO₂复合材料(RGO/TiO₂). 电化学测试结果表明, 还原氧化石墨烯改性的RGO/TiO₂复合材料的电化学性能得到显著提升, RGO含量为4.0%(w)的RGO/TiO₂复合材料在各种电流密度下的可逆容量分别为183.7 mAh·g^-1 (20 mA·g^-1), 153.7 mAh·g^-1 (100 mA·g^-1)和114.4 mAh·g^-1 (600mA·g^-1), 而纯TiO₂的比容量仅为93.6 mAh·g^-1 (20 mA·g^-1), 69.6 mAh·g^-1 (100 mA·g^-1)和26.5 mAh·g^-1 (600mA·g^-1). 4.0%(w) RGO/TiO₂复合材料体现了良好的循环稳定性, 在100 mA·g^-1电流密度下充放电循环350个周期后, 比容量仍然保持146.7 mAh·g^-1. 同等条件下, 纯TiO₂电极比容量只有68.8 mAh·g^-1. RGO包覆改性极大提高了TiO₂在钠离子电池中的电化学嵌钠/脱钠性能. RGO包覆改性技术在改进钠离子电池材料性能中将有很好的应用前景.     

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。     

Preparation and Electrochemical Properties of xLi2MnO3·(1-x)LiMn2O4 Composites

Li₂MnO₃-doped spinel LiMn₂O₄ composites were synthesized by sol-gel method to improve the electrochemical performance of LiMn₂O₄. The microstructures, morphologies and electrochemical performance of the obtained xLi₂MnO₃·(1-x)LiMn₂O₄ composites were characterized by X-ray diffraction(XRD), scan electron microscopy(SEM) and a galvanostatic charge-discharge process. It was found that both Li₂MnO₃ and LiMn₂O₄ components exist in xLi₂MnO₃·(1-x)LiMn₂O₄(02MnO₃·0.7LiMn₂O₄ composite shows the optimized electrochemical performance, including discharge capacity and cycle stability. It was demonstrated that Li₂MnO₃-doped spinel LiMn₂O₄ cathode material can work at wide potential window with quite good capacity retention and considerably larger reversible capacity compared to single-phase LiMn₂O₄ component.     

Al_2O_3包覆对Na_(0.44)MnO_2正极材料高温储钠性能的改善

Na_(0.44)MnO_2具有特殊的三维隧道结构和良好的化学稳定性,是一种理想的钠离子电池正极材料。本文研究了Na_(0.44)MnO_2正极材料的高温电化学性能,采用液相法对Na_(0.44)MnO_2正极材料进行Al_2O_3包覆改性,并通过电化学、形貌分析、结构分析、化学成分表征等方法研究Al_2O_3包覆的改性机制。结果表明:Al_2O_3包覆层有效地隔离了Na_(0.44)MnO_2与电解液的直接接触,缓解了高温下锰的溶解,从而维持了稳定的电极/溶液界面结构。Na_(0.44)MnO_2@Al_2O_3在55°C下的电化学性能相比未包覆Na_(0.44)MnO_2有显著提升:循环100次后容量保持率达79.2%,远高于未包覆的66.5%;在10C (1C=120 mAh·g~(-1))的大电流密度下放电比容量达到63.6 mAh·g~(-1),而未包覆的仅有12.3 mAh·g~(-1)。     

负载Cr_2O_3的H_2Ti_2O_5·H_2O纳米管的制备及其作为锂离子电池正极材料的电化学性能

限制纳米电极材料倍率性能的一个重要因素是,在大电流下充放电时,纳米结构可能坍塌,造成容量迅速衰减.通过异价离子的掺杂或第二相的负载有可能弥补纳米材料的这一缺陷.本文以含有Cr2O3的锐钛矿TiO2为原料,通过超声化学-水热法,制备了负载Cr2O3的H2Ti2O5·H2O纳米管.采用X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)对制得的H2Ti2O5·H2O/Cr2O3纳米管的晶体结构和微观形貌进行了表征和分析.恒流充放电测试显示,H2Ti2O5·H2O/Cr2O3(5%(w,质量分数))纳米管作为锂离子电池阳极材料具有优异的循环稳定性及倍率性能.在150mA·g-1的电流密度下,H2Ti2O5·H2O/Cr2O3纳米管的首次放电容量达到288mAh·g-1;120次循环后,充放电容量仍保持在145mAh·g-1.在1500mA·g-1的电流密度下,首次放电容量为178mAh·g-1;600次循环后,充放电容量保持在80mAh·g-1以上;继续在150mA·g-1电流密度下充放电30个循环,充放电容量达到155mAh·g-1,显示出充放电容量的可回复性.循环伏安测试结果表明,H2Ti2O5·H2O/Cr2O3纳米管的充放电过程由法拉第赝电容反应控制.该一维纳米结构在锂离子电池和非对称电容器领域显示出良好的应用前景.     

钠锰比对NaxMnO2的性能和钠离子脱嵌过程的影响

采用高温固相法合成了Na_xMnO₂,并用X-射线衍射、X-射线光电子能谱、场发射扫描电镜、循环伏安、电化学阻抗谱和恒流充放电技术研究了钠锰比对材料的形态结构、电化学性能和钠离子脱嵌过程的影响. 结果表明,Na_xMnO₂ 主要由Na_0.7MnO₂ 和Na_0.91MnO₂ 组成,且Na_0.91MnO₂ 的量随着钠锰比的增加而增加. 随着钠锰比的增加,SEI 膜扩散、界面电化学反应和固相扩散的活化能先减少后增大,而材料的放电比容量则先增大后减少. 当钠锰比为0.80 时,合成的材料1C 倍率下首次放电比容量为152.8 mAh·g^-1,50 次循环容量保持率为80.6%,5C 大倍率下放电比容量为88.3 mAh·g^-1,表现出了良好的循环性能和倍率性,相应的SEI 膜扩散、界面电化学反应和固相扩散过程的活化能分别为68.23、40.07 和57.62 KJ·mol^-1.     

二氟草酸硼酸钠作为钠离子电池非水电解液添加剂的电化学性能

引入电解液添加剂是提升钠离子二次电池电化学性能的重要途径.本论文制备了二氟草酸硼酸钠（NaDFOB）并作为NaClO₄/碳酸乙烯酯（EC）/碳酸丙烯酯（PC）（ EC:PC体积比=1:1）非水电解液的添加剂,分别考察了其加入量对于电导率特性、电化学氧化分解电压的影响,以及应用于NaNi_0.5Mn_0.5O₂半电池的电化学性能. 结果表明,NaDFOB作为添加剂时对于NaClO₄/EC/PC电解液电导率提升不明显,但是显著提升了电解液的氧化分解电压;以添加0.025 mol·L^-1 NaDFOB的电解液应用于NaNi_0.5Mn_0.5O₂半电池时,首周不可逆比容量由22 mAh·g^-1下降到9 mAh·g^-1,同时0.2C倍率下循环200周容量保持率由44.4% 提升到89.5%,平均每周容量衰减为0.06 mAh·g^-1. 因此,NaDFOB可以作为钠离子电池非水电解液的一种有效添加剂.     

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%.     

对苯二甲酸镁作为钠离子电池的有机负极材料

报道了对苯二甲酸镁作为钠离子电池负极材料的研究.以对苯二甲酸和氢氧化镁为原料,采用酸碱中和反应制备了含结晶水的对苯二甲酸镁(MgC8H4O4·2H2O),该材料对钠离子电池表现出了较好的电化学活性、优异的倍率性能以及良好的循环稳定性.在0.5C(1C=300 mA·g-1)倍率下循环50周以后,可逆容量由114mAh·g-1降至95 mAh·g-1,容量保持率高达83%;在2C的倍率下有高达90 mAh·g-1的可逆比容量.另外,在氮气气氛中,400℃进行后续热处理得到了不含结晶水的对苯二甲酸镁(MgC8H4O4),探讨了结晶水对其电化学性能的影响.结果表明,MgC8H4O4·2H2O的比容量、倍率性能以及循环稳定性都明显优于不含结晶水的对苯二甲酸镁.     

锂离子正极材料LiCo1-xMgxMnO4与LiCo1-xAlxMnO4 (x = 0, 0.02, 0.05, 0.1)的制备及其电化学性能

采用固相法合成掺杂镁和铝尖晶石LiCoMnO₄材料,研究镁和铝掺杂量对尖晶石LiCoMnO₄电极的初始容量、放电平台以及循环性能的影响. 利用扫描电子显微镜、粉末X-射线衍射仪观察分析材料形貌及结构. 结果表明,所合成材料的粒径分布均匀,结晶性较佳. LiCoMnO₄电极初始容量为87.0 mAh.g^-1,少量镁或铝掺杂使电极初始容量有所增加,LiCo_0.98Mg_0.02MnO₄和LiCo_0.98Al_0.02MnO₄电极初始容量分别为91.3和93.6 mAh.g^-1,提高了其5 V放电平台的比例,过量掺杂则其容量降低. 此外,掺杂Al显著改善了LiCoMnO₄电极的循环性能,而掺杂镁对电极的循环性能其影响不明显.     

三维多级孔类石墨烯载三氧化二铁锂离子电池负极材料

采用简单的水解、热处理方法合成三氧化二铁（Fe₂O₃）负载在三维多级孔类石墨烯（3D HPG）上的复合材料. 3D HPG有效的导电网络有利于负载纳米Fe₂O₃,使其呈均匀分散状态,并有效增强纳米复合物的导电率,提高Fe₂O₃利用率,抑制纳米Fe₂O₃的团聚,从而制得稳定、高性能的锂离子电池负极材料. Fe₂O₃-3D HPG电极在50 mA·g^-1电流密度下首次放电容量达1745 mAh·g^-1,50周期放电容量保持于1095 mAh·g^-1.