碳包覆改性制备高倍率性能的锂离子电池正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2

采用碳酸盐共沉淀-高温固相法制备了一系列表面碳包覆改性（w=1.0%,2.0%,3.0%）的LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂正极材料,借助X射线衍射（XRD）分析、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、电化学阻抗谱（EIS）和恒电流充放电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。结果表明,碳成功地包覆在了材料颗粒的表面,碳包覆改性后的材料具有良好的α-NaFeO₂结构（空间群为R3m）,且随着包碳量的增加,一次颗粒平均尺寸逐渐增大（从177 nm增至209 nm）。表面的无定形碳层可以提高材料的电子导电率,减少电极材料与电解液的副反应,故而碳包覆材料的电化学性能都有了一定程度提升。包覆碳量为2.0%的样品高倍率和长循环性能最好,在2.7~4.3 V,1C下循环100次后,容量保持率为93%;在0.1C、0.2C、0.5C、1C、3C、5C、10C和20C时的放电比容量分别为：155、148、145、138、127、116、104和96 mAh·g^-1。在超高倍率50C（9 A·g^-1）时,其放电比容量还能达到62 mAh·g^-1（原始LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂材料仅为30 mAh·g^-1）,倍率性能十分优异。     

层状Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2正极材料的合成与电化学性能研究

采用共沉淀-喷雾造粒法制备前驱体, 于750 ℃在空气中煅烧20 h合成出层状Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)O₂正极材料, 并用XRD, SEM, 粒度分析和电性能测试考察了所得材料结构、形貌及电化学性能. 本层状Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)O₂正极材料具有α-NaFeO₂结构, 六方晶系, R3m空间群, 其晶胞参数为a＝0.2865 nm, c＝1.4238 nm. 当材料分别在2.8～4.2, 2.8～4.5 V间进行充放电时, 其首次放电容量分别为173.5和185.4 mAh•g^－1, 首次充放电效率分别为90%和83.8%, 40次循环后容量保持率分别为96%和84%.     

高温固相法合成LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2及其性能研究

采用高温固相法合成出层状锂离子电池正极材料LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂。通过XRD、ICP、SEM和电化学测试手段对产物的结构、组成、形貌及电化学性能进行了研究。XRD结果表明此方法合成的LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂具有标准的α-NaFeO₂型层状结构，SEM照片显示颗粒粒径大约在500 nm左右，粒径分布较窄。以20 mA·g^-1电流密度放电，充放电电压在2.8～4.4 V之间，其首次放电比容量为170 mAh·g^-1，40次循环容量保持率为85.3%。进一步加入石墨导电剂后，同样条件下首次放电比容量变为179 mAh·g^-1，50次循环容量保持率为89.6%。容量衰减主要发生在前10次循环。XRD和SEM测试表明循环初期容量衰减的原因是由材料本体结构变化和界面反应共同作用的结果。     

电解Co-Ni-Mn合金制备LiCo1/3Ni1/3Mn1/3正极材料

由Co-Ni-Mn合金出发，采用电解方法合成了含3种过渡金属元素的前驱物，再利用该前驱物制备了锂离子二次电池正极材料LiCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3。XRD测试结果表明通过该方法制备的正极材料具有较好的层状结构，SEM测试则显示材料由规则形状的1 μm左右颗粒组成。通过XPS实验证明Co、Ni、Mn 3种过渡金属元素在该材料中的价态分别为+3，+2，+4。采用循环伏安法对材料的电化学行为进行了研究，表明该材料具有较好的充放电可逆性。该材料在150 mA·g^-1电流下经过50周的恒电流充放循环后容量仍能保持在160 mAh·g^-1。     

层状Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2正极材料的合成与电化学性能研究

采用共沉淀-喷雾造粒法制备前驱体, 于750 ℃在空气中煅烧20 h合成出层状Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)O₂正极材料, 并用XRD, SEM, 粒度分析和电性能测试考察了所得材料结构、形貌及电化学性能. 本层状Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)O₂正极材料具有α-NaFeO₂结构, 六方晶系, R3m空间群, 其晶胞参数为a＝0.2865 nm, c＝1.4238 nm. 当材料分别在2.8～4.2, 2.8～4.5 V间进行充放电时, 其首次放电容量分别为173.5和185.4 mAh•g^－1, 首次充放电效率分别为90%和83.8%, 40次循环后容量保持率分别为96%和84%.     

层状LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2正极材料的合成及电化学性能研究

采用液相法在800 ℃空气中烧结20 h合成出层状LiCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂正极材料。通过XRD、IR、SEM、XPS和电化学性能测试考察了产物的组成、结构、形貌及电化学性能。结果表明，所合成的LiCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂为六方单相，层状结构发育完善；产物呈球形且粒度小，分布窄，平均粒径为0.3 μm。以1 mA·cm^-2的电流密度，在2.7～4.3 V区间进行充放电测试，前4周的充放电比容量分别为168/160 mAh·g^-1、169/162 mAh·g^-1、165/160 mAh·g^-1、163/158 mAh·g^-1，循环性能优良。循环伏安实验表明，该材料在3.9 V附近出现了一对对称性好的氧化还原峰。     

溶胶凝胶-软模板法制备LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料及其电化学性能研究

在溶胶凝胶法中引入了软模板十二烷基磺酸钠(SDS)制备了LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂正极材料。采用X射线衍射法(XRD),扫描电镜法(SEM),循环伏安法(CV),交流阻抗法(EIS)及充放电测试等手段对材料进行了表征。结果表明,在750 ℃下煅烧12 h加入或不加SDS都能得到结晶较好具有六方层状α-NaFeO₂结构的LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂。SEM显示引入SDS辅助制备的目标材料颗粒细小,约60～300 nm,分散均匀,部分颗粒呈类球状形貌。而没有添加表面活性剂制备的材料粒径范围约250～600 nm,并且部分颗粒有团聚现象。在2.8～4.3 V(vs Li/Li⁺),0.5C倍率下,SDS辅助制备和没有添加表面活性剂制备的材料首次放电比容量分别为136.8、123.4 mAh·g^-1,50次循环后容量保持率分别为90.3%,73.8%。2C和5C下的充放电测试结果都显示SDS的加入能有效改善材料的倍率性能。归因于颗粒更细小,分散更均匀及较小的晶胞体积,SDS辅助制备的材料电荷传递阻抗远小于无表面活性剂辅助制备的材料是其倍率性能得到明显提高的重要原因。     

高密度非球形和球形LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2的合成和性能比较

利用二次干燥法和共沉淀法分别制备出了非球形的Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3OOH前驱体和球形Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3(OH)₂前驱体, 并分别和LiNO₃混合烧结合成高密度非球形和球形的锂离子正极材料Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)O₂. XPS分析表明, 二次干燥法制备的非球形Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3OOH前驱体其过渡金属Ni, Co和Mn的价态分别是＋2, ＋3和＋4, 而共沉淀法制备的球形Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3(OH)₂前驱体其各金属价态为＋2; X射线衍射分析表明, 非球形的Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3OOH前驱体比球形的前驱体具有较高的活性, 能够在低温下合成出Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)O₂, 而且制备的产物结晶度高, 具有规整的层状α-NaFeO₂结构, 扫描电镜显示制备的非球形产物颗粒均匀, 颗粒间隙小, 振实密度高达2.95 g•cm^－3, 远高于球形的振实密度2.35 g•cm^－3; 充放电实验表明, 由非球形前驱体制备的Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)O₂其充放电性能和循环性能以及体积比容量均高于球形正极材料.     

高密度非球形和球形LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2的合成和性能比较

利用二次干燥法和共沉淀法分别制备出了非球形的Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3OOH前驱体和球形Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3(OH)₂前驱体, 并分别和LiNO₃混合烧结合成高密度非球形和球形的锂离子正极材料Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)O₂. XPS分析表明, 二次干燥法制备的非球形Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3OOH前驱体其过渡金属Ni, Co和Mn的价态分别是＋2, ＋3和＋4, 而共沉淀法制备的球形Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3(OH)₂前驱体其各金属价态为＋2; X射线衍射分析表明, 非球形的Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3OOH前驱体比球形的前驱体具有较高的活性, 能够在低温下合成出Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)O₂, 而且制备的产物结晶度高, 具有规整的层状α-NaFeO₂结构, 扫描电镜显示制备的非球形产物颗粒均匀, 颗粒间隙小, 振实密度高达2.95 g•cm^－3, 远高于球形的振实密度2.35 g•cm^－3; 充放电实验表明, 由非球形前驱体制备的Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)O₂其充放电性能和循环性能以及体积比容量均高于球形正极材料.     

锂离子电池正极材料层状LiNi1/2Mn1/2O2的制备与表征

用一种简单的共沉淀法制备出了层状LiNi_1/2Mn_1/2O₂材料，并且用XRD、SEM、循环充放电、循环伏安(CV)和电化学阻抗谱(EIS)等方法对材料进行了表征测试。首先，用共沉淀法制备氢氧化镍和氢氧化锰的混合物;然后，对共沉淀溶液进行预氧化来制备前驱体;最后，用预氧化的前驱体合成了LiNi_1/2Mn_1/2O₂材料。SEM和XRD测试结果分别表明:LiNi_1/2Mn_1/2O₂材料是粒径范围在100～200 nm之间的球形粒子，并且具有非常好的层状结构。循环充放电表明:在空气中900 ℃下合成时间为9 h的材料，在充放电截止电压为2.8～4.6 V的情况下，经过40次循环，材料的容量可以稳定地保持在140 mAh·g^-1左右。循环伏安曲线表明:在锂的初始脱嵌和入嵌过程中存在不可逆相变。电化学阻抗谱测试表明LiNi_1/2Mn_1/2O₂具有很好的锂离子扩散能力。     

Synthesis of LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2−zFz cathode material from oxalate precursors for lithium ion battery

The layered LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O_2−zF_z (0 ≤ z ≤ 0.12) cathode materials were synthesized from oxalate precursors by a simple self-propagating solid-state metathesis method with the help of the ball milling and the following calcination. Li(Ac)·2H₂O, Ni(Ac)₂·4H₂O, Co(Ac)₂·4H₂O, Mn(Ac)₂·4H₂O(Ac = acetate), LiF and excess H₂C₂O₄·2H₂O were used as starting materials without any solvent. The structural and electrochemical properties of the prepared LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O_2−zF_z were characterized by X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FESEM) and electrochemical measurements, respectively. The XRD patterns indicate that all samples have a typical hexagonal structure with a space group of . The FESEM images show that the primary particle size of LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O_2−zF_z gradually increases with increasing fluorine content. Though the fluorine-substituted LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O_2−zF_z have lower initial discharge capacities, a small amount of fluorine-substituted LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O_2−zF_z (z = 0.04 and 0.08) exhibit excellent cycling stability and rate capability compared to fluorine-free LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂.     

掺F影响LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2结构和性能的微观机制

以氟化锂为氟源,通过高温固相法合成了F掺杂的LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_2。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和电化学测试等手段研究F影响LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_2结构和性能的微观机制。结果表明:适量F掺杂可以提高正极材料的放电比容量,改善其倍率性、循环性和热稳定性。当F掺杂量(物质的量分数)为1.5%时,材料的综合电化学性能最优,初始放电比容量(0.2C)和50周循环容量保持率(1C)分别由原始的174.0 mAh·g~(-1)(78.7%)提高到178.6 mAh·g~(-1)(85.7%)。LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_2材料性能的改善可归因于F能够增强过渡金属层、锂层与氧层之间的结合力,提高材料的结构稳定性。此外,F掺杂还有利于降低电化学反应中的界面电阻和电荷转移阻抗。     

Li4Mn5O12包覆对三元正极材料结构和性能的影响

LiNi(1/3)Mn(1/3)Co(1/3)O2具有很高的理论比容量,但是三元正极材料在高电压下长循环时,其表面结构发生较大的衰退,导致电池的循环性能和倍率性能变差。本文采用耐高电压且结构稳定的富锂尖晶石Li4Mn5O(12)包覆LiNi(1/3)Mn(1/3)Co(1/3)O2可以有效改善材料的电化学性能。通过XRD、SEM、XPS和TEM等手段对包覆后的材料进行分析,证实了在LiNi(1/3)Mn(1/3)Co(1/3)O2的表面形成了10nm厚的均匀Li4Mn5O(12)的包覆层;在循环100圈后,包覆后的LiNi(1/3)Mn(1/3)Co(1/3)O2仍具有179.5m Ah/g的放电比容量和88.6%容量保持率,明显高于未包覆的LiNi(1/3)Mn(1/3)Co(1/3)O2的78.3%容量保持率。因此,利用富锂尖晶石Li4Mn5O(12)包覆LiNi(1/3)Mn(1/3)Co(1/3)O2为实现更高能量密度的锂离子电池提供了新的途径。     

废旧锂电池中镍钴锰的回收及正极材料LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2的制备

本文以废旧锂电池为原料,经过解体分选、硫酸浸出、除杂净化等一系列工序,回收得到含镍钴锰的混合溶液,采用氢氧化物共沉淀法制备LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2正极材料。分别采用XRD,TG/DSC,SEM对其进行表征,并通过恒电流充放电测试和循环性能测试对材料的电化学性能进行分析。结果表明,合成得到的LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2正极材料具有典型的层状结构,并呈现球形或类球形的形貌。在0.1C,电压范围为2.75～4.3 V的条件下,经恒流充放电测试,它的首次放电容量为136.5 mAh.g-1,经过30个循环后,放电容量为124.9 mAh.g-1,容量保持率高达91.5%,表现出较优异的电化学性能。     

氨蒸发诱导法制备纳米结构LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_2及其作为高功率型锂离子电池正极材料的性能

采用氨蒸发诱导法成功制备出纳米结构LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料,借助X射线衍射(XRD)分析、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、高分辨率透射电镜(HRTEM)、能量分散谱(EDS)和比表面测试等表征手段及恒电流充放电测试研究了其晶体结构、微观形貌和电化学性能.研究表明该方法制备出的材料具有良好的α-NaFeO2层状结构,阳离子混排程度低.纳米片交错堆积而成核桃仁状形貌,片与片之间形成许多纳米孔,而且纳米片的侧面属于{010}活性面,能够提供较多的锂离子的脱嵌通道.在室温下及3.0-4.6 V充放电范围内,该材料在电流密度为0.5C、1C、3C、5C和10C时放电比容量分别为172.90、153.95、147.09、142.16和131.23mAh?g-1.说明其具有优异的电化学性能,非常有潜力用于动力汽车等高功率密度锂离子电池中.     

Origin of the irreversible plateau (4.5 V) of Li[Li0.182Ni0.182Co0.091Mn0.545]O2 layered material

Layered LiNi_0.4Co_0.2Mn_0.4O₂, Li[Li_0.182Ni_0.182Co_0.091Mn_0.545]O₂, Li[Li_1/3Mn_2/3]O₂ powder materials were prepared by rheological phase method. XRD characterization shows that these samples all have analogous structure to LiCoO₂. Li[Li_0.182Ni_0.182Co_0.091Mn_0.545]O₂ can be considered to be the solid solution of LiNi_0.4Co_0.2Mn_0.4O₂ and Li[Li_1/3Mn_2/3]O₂. Detailed information from XRD, ex situ XPS measurement and electrochemical analysis of these three materials reveals the origin of the irreversible plateau (4.5 V) of Li[Li_0.182Ni_0.182Co_0.091Mn_0.545]O₂ electrode. The irreversible oxidation reaction occurred in the first charging above 4.5 V is ascribed to the contribution of Li[Li_1/3Mn_2/3]O₂ component, which maybe extract Li⁺ from the transition layer in Li[Li_1/3Mn_2/3]O₂ or Li[Li_0.182Ni_0.182Co_0.091Mn_0.545]O₂ through oxygen release. This step also activates Mn⁴⁺ of Li[Li_1/3Mn_2/3]O₂ or Li[Li_0.182Ni_0.182Co_0.091Mn_0.545]O₂, it can be reversibly reduced/oxidized between Mn⁴⁺ and Mn³⁺ in the subsequent cycles.     

A simple and effective strategy to synthesize Al2O3-coated LiNi0.8Co0.2O2 cathode materials for lithium ion battery

A facile method has been developed to synthesize Al₂O₃-coated LiNi_0.8Co_0.2O₂ cathode materials. The sample was characterized by X-ray diffraction (XRD), high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and energy dispersive analysis of X-rays (EDAX). Electrochemical tests show that the cycling stability of LiNi_0.8Co_0.2O₂ at room temperature is effectively improved by Al₂O₃ coating. The differential scanning calorimetry (DSC) and high temperature (60 °C) cycling tests indicate that Al₂O₃ coating can also improve the thermal stability of LiNi_0.8Co_0.2O₂, which is attributed to that the coating layer can protect the LiNi_0.8Co_0.2O₂ particles from reacting with the electrolyte.     

Improvement of high-voltage cycling behavior of Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2 cathodes by Mg, Cr, and Al substitution

To improve the electrochemical properties of Li[Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3]O₂ at high charge end voltage (4.6 V), a series of the mixed transition metal compounds, Li(Ni_1/3Co_{1/3 − x} Mn_1/3M _x )O₂ (M = Mg, Cr, Al; x = 0.05), were synthesized via hydroxide coprecipitation method. The effects of doping Mg, Cr, and Al on the structure and the electrochemical performances of Li[Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3]O₂ were compared by means of X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), galvanostatic charge–discharge tests, and electrochemical impedance spectroscopy. The XRD results show that all the samples keep layered structures with R3m space group as the Li[Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3]O₂. SEM images show that all the compounds have spherical shapes and the Cr-doped sample has the largest particle size. Furthermore, galvanostatic charge–discharge tests confirm that the Cr-doped electrode shows improved cycling performance than the undoped material. The capacity retention of Li(Ni_1/3Co_{1/3 − 0.05}Mn_1/3Cr_0.05)O₂ is 97% during 50 cycles at 2.8∼4.6 V. The improved cycling performance at high voltage can be attributed to the larger particle size and the prevention of charge transfer resistance (R _ct) increase during cycling.     

表面活性剂辅助合成LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极材料

通过添加烷基季铵盐类表面活性剂来调控材料形貌和粒径的改性方法,在LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂前驱体合成过程中添加表面活性剂十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB),利用尿素作为配合剂和沉淀剂,采用溶剂热法合成LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂前驱体。最后,高温混锂煅烧合成椭球形的空心多孔材料。相比于不添加表面活性剂的样本,改性的材料有着更小的粒径和更加规整的形貌。电化学测试表明,添加DTAB和CTAB之后,首次充电容量分别达到223与251 mAh·g^-1(0.1C)。其中,添加CTAB的样品首次放电容量达到216 mAh·g^-1(0.1C),100次循环后容量保持率为85.1%,高于LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂的81.7%(0.1C)。表面活性剂的改性显著提高了材料的电化学性能,为高镍三元正极材料的改性提供了一种新的思路。