Ag/C包覆对Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2电化学性能的影响

运用共沉淀和元素化学沉积相结合的方法,制备出了具有Ag/C 包覆层的层状富锂固溶体材料Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13]O₂. 通过X 射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、恒流充放电、循环伏安（CV）,电化学阻抗谱（EIS）和X 射线能量散射谱（EDS）方法,研究了Ag/C 包覆层对Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13]O₂电化学性能的影响. 结果表明,Ag/C 包覆层的厚度约为25 nm,Ag/C 包覆在保持了固溶体材料α-NaFeO₂ 六方层状晶体结构的前提下,显著地改善了Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13]O₂ 的电化学性能. 在2.0-4.8 V（vs Li/Li⁺）的电压范围内,首次放电（0.05C）容量由242.6 mAh·g^-1提高到272.4 mAh·g^-1,库仑效率由67.6%升高到77.4%;在0.2C倍率下,30 次循环后,Ag/C 包覆的电极材料容量为222.6 mAh·g^-1,比未包覆电极材料的容量高出14.45%;包覆后的电极材料在1C下的容量仍为0.05C下的81.3%. 循环伏安及电化学交流阻抗谱研究表明,Ag/C包覆层抑制了材料在充放电过程中氧的损失,有效降低了Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13]O₂颗粒的界面膜电阻与电化学反应电阻.     

富锂层状正极材料Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2的二次颗粒粒径对其倍率性能的影响

采用碳酸盐共沉淀的方法成功制备了不同二次颗粒粒径的富锂层状正极材料Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂。并运用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、激光粒度测试和电化学测试等手段对所得材料的结构、形貌、粒度分布及电化学性能进行表征。结果显示,不同二次颗粒粒径的Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂在材料结构上没有明显的差别,且首次放电比容量接近,均达到了281 mAh·g^-1。但是,二次颗粒粒径越小,富锂层状材料的表现出的倍率性能越优异,当二次颗粒的D₅₀为4.59μm,其在3C倍率下的放电容量达到了199 mAh·g^-1。这是因为二次颗粒粒径越小,富锂层状材料可更好的与导电剂和电解液接触,且锂离子的扩散路径更短,从而表现出更好的倍率特性。     

富锂层状正极材料Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2的二次颗粒粒径对其倍率性能的影响

采用碳酸盐共沉淀的方法成功制备了不同二次颗粒粒径的富锂层状正极材料Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂。并运用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、激光粒度测试和电化学测试等手段对所得材料的结构、形貌、粒度分布及电化学性能进行表征。结果显示,不同二次颗粒粒径的Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂在材料结构上没有明显的差别,且首次放电比容量接近,均达到了281 mAh·g^-1。但是,二次颗粒粒径越小,富锂层状材料的表现出的倍率性能越优异,当二次颗粒的D₅₀为4.59 μm,其在3C倍率下的放电容量达到了199 mAh·g^-1。这是因为二次颗粒粒径越小,富锂层状材料可更好的与导电剂和电解液接触,且锂离子的扩散路径更短,从而表现出更好的倍率特性。     

球磨辅助高温固相法制备Li1.0Na0.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2正极材料及其性能

以乙酸盐(乙酸锂、乙酸钠、乙酸钴、乙酸镍、乙酸锰等)为原材料,采用球磨辅助高温固相法制备Li_1.0Na_0.2Ni_0.13Co_0.13Mn_0.54O₂正极材料。借助XRD、SEM等表征材料的结构和形貌,利用循环伏安、恒流充放电、交流阻抗等方法研究材料的电化学性能。结果表明,钠的掺杂导致颗粒表面光滑度降低,形成Na_0.77MnO_2.05新相。0.05C活化过程中,掺钠样品和未掺钠样品首次放电比容量分别为258.4 mAh·g^-1和215.8 mAh·g^-1,库伦效率分别为75.2%和72.8%;2C放电比容量分别为116.3 mAh·g^-1和106.2 mAh·g^-1。研究发现,掺钠可减小首次充放电过程的不可逆容量,提高容量保持率;改善倍率性能与容量恢复特性;降低SEI膜阻抗和电荷转移阻抗;掺钠后样品首次循环就可以基本完成Li₂MnO₃组分向稳定结构的转化,而未掺杂的样品需要两次循环才能逐步完成该过程;XPS结果表明,掺钠样品中Ni²⁺、Co³⁺、Mn⁴⁺所占比例明显提高,改善了样品的稳定性和电化学性能;循环200次后的XRD结果表明掺钠与未掺钠材料在脱嵌锂反应中的相变化过程基本一致,良好有序的层状结构遭到破坏是循环过程中容量衰减的主要原因。     

葡萄糖对溶胶凝胶法制备Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2正极材料性能的影响

利用XRD、SEM、EDS、BET、激光粒度、循环伏安、恒流充放电、交流阻抗方法研究了葡萄糖为碳源对溶胶凝胶法制备Li_1.2Ni_0.13Co_0.13Mn_0.54O₂正极材料的结构、形貌以及电化学性能的影响。结果表明:与前驱体中未加入葡萄糖所制备的材料相比,掺葡萄糖后样品颗粒分布相对均匀,粒径变小,D₅₀从11.56减小至9.94μm,比表面积增加近1倍。经0.05C充放电活化后,未掺葡萄糖和掺葡萄糖样品0.2C放电比容量分别为183.4、211.6mAh·g^-1,2C容量分别为其0.2C的62.2%、77.6%。1C循环50次后放电比容量分别为133.3、173.6mAh·g^-1,容量保持率分别为95.1%、100%。掺葡萄糖可降低首次不可逆容量损失,提高材料的倍率性能与循环稳定性,减少电荷传递阻抗、Warburg阻抗以及双电层弥散效应,但不改变材料的晶型结构。     

Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2正极材料的Ga2O3包覆改性及电化学性能

首先采用共沉淀方法制备富锂锰基正极材料Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂原始样品(P-LRMO),然后通过简单的湿化学法以及低温煅烧方法对其进行不同含量Ga₂O₃原位包覆。透射电子显微镜(TEM)以及X射线光电子能谱(XPS)结果表明在P-LRMO表面成功合成了Ga₂O₃包覆层。电化学测试结果表明：含有3%Ga₂O₃的改性材料G3-LRMO具有最优的电化学性能,其在0.1C倍率(电流密度为25 mA·g^-1)下首圈充放电比容量可以达到270.1 mAh·g^-1,在5C倍率下容量仍能保持127.4 mAh·g^-1,优于未改性材料的90.7 mAh·g^-1,表现出优异的倍率性能。G3-LRMO在1C倍率下循环200圈后仍有190.7 mAh·g^-1的容量,容量保持率由未改性前的72.9%提升至85.6%,证明Ga₂O₃包覆改性能有效提升富锂锰基材料的循环稳定性。并且,G3-LRMO在1C倍率下循环100圈后,电荷转移阻抗(R_ct)为107.7 Ω,远低于未改性材料的251.5 Ω,表明Ga₂O₃包覆层能提高材料的电子传输速率。     

Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2正极材料的Ga2O3包覆改性及电化学性能

首先采用共沉淀方法制备富锂锰基正极材料 Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂原始样品(P-LRMO), 然后通过简单的湿化学法以及低温煅烧方法对其进行不同含量 Ga₂O₃原位包覆。透射电子显微镜(TEM)以及 X射线光电子能谱(XPS)结果表明在 P-LRMO表面成功合成了 Ga₂O₃包覆层。电化学测试结果表明:含有 3 %Ga₂O₃的改性材料 G3-LRMO具有最优的电化学性能, 其在 0.1C倍率(电流密度为 25 mA·g^-1)下首圈充放电比容量可以达到 270.1 mAh·g^-1, 在 5C倍率下容量仍能保持 127.4 mAh·g^-1, 优于未改性材料的 90.7 mAh·g^-1, 表现出优异的倍率性能。G3-LRMO在 1C倍率下循环 200圈后仍有 190.7 mAh·g^-1的容量, 容量保持率由未改性前的 72.9 %提升至 85.6 %, 证明 Ga₂O₃包覆改性能有效提升富锂锰基材料的循环稳定性。并且, G3-LRMO在 1C倍率下循环 100圈后, 电荷转移阻抗(R_ct)为 107.7 Ω, 远低于未改性材料的 251.5 Ω, 表明 Ga₂O₃包覆层能提高材料的电子传输速率。     

锂离子电池富锂层状正极材料的表面改性及电化学性能

采用一种简单、实用的“浸润-泥化-干燥”结合固相烧结工艺对富锂层状正极材料Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂进行表面改性。这种表面改性的正极材料具有280 mAh·g^-1以上的高比容量,在0.5C下历经70周充放电循环后容量保持率达91.6%,与本体材料相比,表现出较优的循环稳定性。     

葡萄糖对溶胶凝胶法制备Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2正极材料性能的影响

利用XRD、SEM、EDS、BET、激光粒度、循环伏安、恒流充放电、交流阻抗方法研究了葡萄糖为碳源对溶胶凝胶法制备Li_1.2Ni_0.13Co_0.13Mn_0.54O₂正极材料的结构、形貌以及电化学性能的影响.结果表明：与前驱体中未加入葡萄糖所制备的材料相比,掺葡萄糖后样品颗粒分布相对均匀,粒径变小,D₅₀从11.56减小至9.94 μm,比表面积增加近1倍.经0.05C充放电活化后,未掺葡萄糖和掺葡萄糖样品0.2C放电比容量分别为183.4、211.6 mAh·g^-1,2C容量分别为其0.2C的62.2%、77.6%.1C循环50次后放电比容量分别为133.3、173.6 mAh·g^-1,容量保持率分别为95.1%、100%.掺葡萄糖可降低首次不可逆容量损失,提高材料的倍率性能与循环稳定性,减少电荷传递阻抗、Warburg阻抗以及双电层弥散效应,但不改变材料的晶型结构.     

PO43-掺杂和AlF3包覆协同增强Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2正极材料电化学性能

本研究采用PO₄^3-掺杂和AlF₃包覆的协同改性策略制备了P-LNCM@AlF₃正极材料(P=PO₄^3- ,LNCM=Li_1.2Ni_0.13Co_0.13Mn_0.54O₂),提高了LNCM的结构稳定性以及抑制了界面副反应。其中,大四面体的PO₄^3-聚阴离子掺杂在晶格中抑制了过渡金属离子的迁移,降低体积变化,从而稳定了晶体结构,而且PO₄^3-掺杂能够扩大锂层间距,促进Li⁺的扩散,从而提升材料的倍率性能。此外,AlF₃包覆层能抑制材料与电解液的副反应从而提升界面稳定性。基于以上优势,P-LNCM@AlF₃正极表现出了优异的电化学性能。在1C电流密度下表现出了179.2 mAh·g^-1的放电比容量,循环200圈后仍有161.5 mAh·g^-1的放电比容量,容量保持率可达90.12%。即使在5C的高电流密度下仍可提供128.8 mAh·g^-1的放电比容量。     

球磨辅助高温固相法制备Li1.0Na0.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2正极材料及其性能

以乙酸盐(乙酸锂、乙酸钠、乙酸钴、乙酸镍、乙酸锰等)为原材料,采用球磨辅助高温固相法制备Li_(1.0)Na_(0.2)Ni_(0.13)Co_(0.13)Mn_(0.54)O_2正极材料。借助XRD、SEM等表征材料的结构和形貌,利用循环伏安、恒流充放电、交流阻抗等方法研究材料的电化学性能。结果表明,钠的掺杂导致颗粒表面光滑度降低,形成Na_(0.77)Mn O_(2.05)新相。0.05C活化过程中,掺钠样品和未掺钠样品首次放电比容量分别为258.4 m Ah·g~(-1)和215.8 m Ah·g~(-1),库伦效率分别为75.2%和72.8%;2C放电比容量分别为116.3 m Ah·g~(-1)和106.2 m Ah·g~(-1)。研究发现,掺钠可减小首次充放电过程的不可逆容量,提高容量保持率;改善倍率性能与容量恢复特性;降低SEI膜阻抗和电荷转移阻抗;掺钠后样品首次循环就可以基本完成Li_2Mn O_3组分向稳定结构的转化,而未掺杂的样品需要两次循环才能逐步完成该过程;XPS结果表明,掺钠样品中Ni~(2+)、Co~(3+)、Mn~(4+)所占比例明显提高,改善了样品的稳定性和电化学性能;循环200次后的XRD结果表明掺钠与未掺钠材料在脱嵌锂反应中的相变化过程基本一致,良好有序的层状结构遭到破坏是循环过程中容量衰减的主要原因。     

PO43-掺杂和AlF3包覆协同增强Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2正极材料电化学性能

本研究采用PO₄^3-掺杂和AlF₃包覆的协同改性策略制备了P-LNCM@AlF₃正极材料(P=PO₄^3-,LNCM=Li_1.2Ni_0.13Co_0.13Mn_0.54O₂),提高了LNCM的结构稳定性以及抑制了界面副反应。其中,大四面体的PO₄^3-聚阴离子掺杂在晶格中抑制了过渡金属离子的迁移,降低体积变化,从而稳定了晶体结构,而且PO₄^3-掺杂能够扩大锂层间距,促进Li⁺的扩散,从而提升材料的倍率性能。此外,AlF₃包覆层能抑制材料与电解液的副反应从而提升界面稳定性。基于以上优势,P-LNCM@AlF₃正极表现出了优异的电化学性能。在1C电流密度下表现出了179.2 mAh·g^-1     

柠檬酸(铵)处理对Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2电化学性能影响的研究

以共沉淀法制备的[Mn0.54Ni0.13Co0.13]1.25CO3为前驱体,配锂焙烧获得了富锂锰基固溶体Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2,然后分别用柠檬酸、柠檬酸三铵对该材料进行表面预处理。结果表明经柠檬酸(铵)处理后,Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2中分别有16.37wt%和13.14wt%的锂被化学脱出。充放电测试结果表明,表面处理后的样品首次效率有了较大的提高(由63.5%分别提高到了80.2%和80.7%),0.2C循环40次容量保持率分别由91.43%提高到97.42%和92.72%,1C容量由处理前的149.5 mAh.g-1提高到179.5mAh.g-1和181.5 mAh.g-1,表明处理后材料的循环性能和倍率性能都得到了改善。这主要是由于柠檬酸(铵)处理,预先脱出了Li2MnO3组分中的部分Li2O,并在材料表面生成了类尖晶石结构的材料。     

Sn-doped Li<Subscript>1.2</Subscript>Mn<Subscript>0.54</Subscript>Ni<Subscript>0.13</Subscript>Co<Subscript>0.13</Subscript>O<Subscript>2</Subscript> cathode materials for lithium-ion batteries with enhanced electrochemical performance

Sn-doped Li-rich layered oxides of Li_1.2Mn_0.54-x Ni_0.13Co_0.13Sn _x O₂ have been synthesized via a sol-gel method, and their microstructure and electrochemical performance have been studied. The addition of Sn⁴⁺ ions has no distinct influence on the crystal structure of the materials. After doped with an appropriate amount of Sn⁴⁺, the electrochemical performance of Li_1.2Mn_0.54-x Ni_0.13Co_0.13Sn _x O₂ cathode materials is significantly enhanced. The optimal electrochemical performance is obtained at x = 0.01. The Li_1.2Mn_0.53Ni_0.13Co_0.13Sn_0.01O₂ electrode delivers a high initial discharge capacity of 268.9 mAh g^?1 with an initial coulombic efficiency of 76.5% and a reversible capacity of 199.8 mAh g^?1 at 0.1 C with capacity retention of 75.2% after 100 cycles. In addition, the Li_1.2Mn_0.53Ni_0.13Co_0.13Sn_0.01O₂ electrode exhibits the superior rate capability with discharge capacities of 239.8, 198.6, 164.4, 133.4, and 88.8 mAh g^?1 at 0.2, 0.5, 1, 2, and 5 C, respectively, which are much higher than those of Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂ (196.2, 153.5, 117.5, 92.7, and 43.8 mAh g^?1 at 0.2, 0.5, 1, 2, and 5 C, respectively). The substitution of Sn⁴⁺ for Mn⁴⁺ enlarges the Li⁺ diffusion channels due to its larger ionic radius compared to Mn⁴⁺ and enhances the structural stability of Li-rich oxides, leading to the improved electrochemical performance in the Sn-doped Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂ cathode materials.     

AlF3包覆对Li1.2Mn0.534Ni0.133Co0.133O2正极材料电化学性能的影响

通过共沉淀法制备锂离子电池富锂锰基正极材料Li1.2Mn0.534Ni0.133Co0.133O2,并对其进行AlF3包覆。实验结果表明,通过AlF3包覆,材料的电化学性能得到明显提高。在0.2C下,包覆前材料的首次放电比容量为253 mAh.g-1,首次充放电效率仅为88.8%。经过AlF3包覆,材料的首次放电比容量提高到294 mAh.g-1,首次充放电效率高达96.4%。同样,在1.0C下循环50次,未包覆材料的放电比容量由225 mAh.g-1降到185 mAh.g-1,容量保持率仅为82.2%。经过AlF3包覆,材料的放电比容量由230mAh.g-1仅降为222 mAh.g-1,容量保持率高达96.5%。     

ZrO2包覆的层状富锂正极材料0.6Li[Li1/3Mn2/3]O2·0.4LiNi5/12Mn5/12Co1/6O2的电化学性能

采用喷雾干燥法合成了富锂层状氧化物正极材料0.6Li[Li_1/3Mn_2/3]O₂·0.4LiNi_5/12Mn_5/12Co_1/6O₂(简称LNMCO),并使用Zr (CH₃COO)₄进行ZrO₂的包覆改性。TEM测试结果显示纳米级的ZrO₂颗粒附着在LNMCO的表面。包覆质量分数为1.5%的ZrO₂包覆样品的首圈库伦效率和放电比容量有着显著提升,在室温下其首圈库伦效率和放电比容量(电流密度：20 mA·g^-1,电压：2.0~4.8 V)分别为87.2%,279.3 mAh·g^-1,而原样则为75.1%,224.1 mAh·g^-1,循环100圈之后,1.5% ZrO₂包覆样品的放电比容量为248.3 mAh·g^-1,容量保持率为88.9%,高于原样的195.9 mAh·g^-1和87.4%。     

ZrO_2包覆的层状富锂正极材料0.6Li[Li_(1/3)Mn_(2/3)]O_2·0.4LiNi_(5/12)Mn_(5/12)Co_(1/6)O_2的电化学性能

采用喷雾干燥法合成了富锂层状氧化物正极材料0.6Li[Li_(1/3)Mn_(2/3)]O2·0.4LiNi_(5/12)Mn_(5/12)Co_(1/6)O_2(简称LNMCO),并使用Zr(CH3COO)4进行ZrO_2的包覆改性。TEM测试结果显示纳米级的ZrO_2颗粒附着在LNMCO的表面。包覆质量分数为1.5%的ZrO_2包覆样品的首圈库伦效率和放电比容量有着显著提升,在室温下其首圈库伦效率和放电比容量(电流密度:20 m A·g-1,电压:2.0~4.8 V)分别为87.2%,279.3 m Ah·g-1,而原样则为75.1%,224.1 m Ah·g-1,循环100圈之后,1.5%ZrO_2包覆样品的放电比容量为248.3 m Ah·g-1,容量保持率为88.9%,高于原样的195.9 m Ah·g-1和87.4%。