长寿命高镍无钴锂离子正极材料的制备

通过调整不同配锂量、不同焙烧温度以及包覆改性对高镍无钴二元材料性能的影响因素进行了研究。对不同原样和其改性后的材料进行了X射线粉末衍射(XRD)分析和首次充放电性能和倍率性能、循环性能等电化学性能测试。其中过锂量(质量分数)为5%,焙烧温度为820℃的材料性能优异,其首次放电比容量为171.6 mAh·g^-1,1C和3C的放电比容量分别为147.8、129.8 mAh·g^-1。对材料进行锰化合物(质量分数1.0%)包覆处理后,材料的残碱量下降明显,加工性能优异,倍率性能得到明显改善,1C和3C的放电比容量分别提升为156.5、141.8 mAh·g^-1。2Ah软包电池常温循环830周容量保持率为80%,高温循环345周容量保持率为80%。     

不同掺杂元素对无钴高镍正极材料的影响

随着动力电动汽车的需求不断增加,发展低成本、高能量密度的锂离子电池正极材料成为关键。无钴高镍正极材料因其能量密度高、倍率性能好而受到了极大的关注。对于无钴高镍正极材料在循环过程中热稳定性差、容量衰减等问题,研究者们虽通过不同的掺杂元素改善了材料的电化学性能,但对不同掺杂元素的作用机理研究尚浅。本文综述了近年来无钴高镍正极材料掺杂改性方面的研究进展,重点总结了不同掺杂元素对改善材料电化学性能的作用机理。综合分析表明,向无钴高镍正极材料引入掺杂元素,尽管掺杂元素在材料中的主要作用机理不尽相同,但均都提高材料电化学性能,从而改善了无钴高镍材料固有的问题。最后,对无钴高镍正极材料改善策略的发展方向进行了展望,提出了多重改善策略协同应用的可行性方案。     

镍酸锂系正极材料倍率性能的研究进展

为了获得更高的能量密度和更低的成本,高镍化和无钴化成为了镍基正极材料发展的趋势。在各类高镍无钴正极材料中,镍酸锂（LNO）系正极材料因具有较高的能量密度和较低的成本成为了研究的热点,然而其倍率性能较差,难以满足电动汽车、 3C数码产品及储能领域日趋增长的快充需求。因此,如何提高其倍率性能,成为了亟待解决的关键问题。本文从原子-晶体-颗粒尺度出发,系统阐述了Li+/Ni2+混排、相变、非理想化学计量配比、颗粒形貌和界面副反应等因素对LNO系正极材料倍率性能的影响,并归纳出制约倍率性能的三个关键因素：体相结构稳定性、界面结构稳定性和锂离子扩散能力。为提高LNO系正极材料的倍率性能,基于以上制约因素提出结构优化（掺杂改性、包覆改性、结构设计）、体系优化（正极掺混、优化电解液添加剂）和工艺优化（优化合成工艺、优化循环制度）等改性策略。最后,基于LNO系正极材料的发展现状,指出了LNO系正极材料发展过程中面临的新挑战。     

高镍三元正极材料的表面包覆策略

锂离子电池(LIBs)因具有更高的重量/体积能量密度、 更长的使用寿命、 更低的自放电率等优点而逐渐被广泛应用. 相比于已经广泛使用的钴酸锂和磷酸铁锂等正极材料, 高镍三元正极材料Li[Ni_1-x-yCo_xMn_y]O₂(NCM)以其高电压和高容量等优点, 逐渐成为下一代高能锂离子电池的首选正极材料之一. 尽管高镍NCM正极材料具有上述优点, 但在进一步的实际应用前还需解决其循环稳定性、 倍率性能和安全性等问题, 这些问题主要源于NCM材料本身的晶体结构不稳定、 正极-电解液间界面副反应及高界面电阻等. 针对这些问题, 目前对高镍NCM正极电化学性能优化的大量研究都与电极-电解液界面有关, 如何通过改善界面稳定性、 增加离子在固液界面的迁移率、 抑制界面副反应、 提高正极材料的稳定性进而改善电池性能成为了关注焦点. 本文总结了目前对于其电化学性能衰减的机理解释, 分类概括了包括电化学惰性包覆锂、 残积物清除剂包覆和锂离子良导体包覆等对于高镍NCM正极材料的颗粒表面包覆策略, 简述了一些新兴的包覆策略, 并对高镍NCM正极材料的发展方向和前景提出了展望.     

三(三甲基硅烷)亚磷酸酯添加剂改善高镍三元正极材料的高电压循环性能

研究了三(三甲基硅烷)亚磷酸酯(TMSP)添加剂对高镍三元正极材料Li Ni_(0.83)Mn_(0.05)Co_(0.12)O_2(LNMC811)高电压循环性能的影响。结合电化学表征、理论计算、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)等方法研究发现,在高电位(4.5 Vvs Li/Li~+)下,TMSP添加剂能够在LNMC811正极表面被氧化分解,生成一层富含导锂离子性能好的硅酸盐和电化学稳定的无机碳酸锂,且电解液主要分解产物(有机碳酸锂和氟化锂)含量较少的正极固体电解质界面(CEI)膜;分析表明覆盖在正极表面的薄而均匀的CEI膜,能够很好的降低充放电过程的极化电压,隔离电解液和正极的接触,减少电解液的分解,抑制金属离子的溶出,稳定正极晶体结构,使LNMC811材料能够在4.5 V(vs Li/Li~+)高电压循环时仍然保持良好的循环性能和倍率性能。     

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)。     

锂离子电池高镍层状氧化物正极结构失效机制（英文）

高镍层状氧化物具有成本低、能量密度高的优点,被认为是新一代锂离子电池的理想正极材料。然而,由于在使用中其结构的耐久性与安全性问题,在实际应用过程中仍然面临着严峻的挑战。深入了解电极材料容量衰减过程中的结构演变对发展高性能层状氧化物电极材料具有重要的指导意义。本文综述了近年来高镍层状氧化物正极失效机理的研究进展,包括从高镍层状氧化物的内部结构演变、表面成分变化和热失控条件下的性质等方面,进行了详细的梳理。之后,本文介绍了国内外最新的高镍层状氧化物的改性策略,并对高镍氧化物正极结构研究的发展方向进行了总结和展望。     

偏铝酸锂/环化聚丙烯腈共包覆改性高镍层状正极材料的制备

构建表面无机-有机复合包覆层,用于改善高镍层状(NCM811)正极材料结构和界面不稳定问题。复合包覆层由纳米偏铝酸锂(LiAlO₂,LAO)和环化聚丙烯腈(cPAN)构成。该复合包覆层中LAO是一种典型的锂离子导体,可提供Li⁺迁移通道;PAN环化后,可产生离域的π键,形成具有电子导电性的cPAN。材料表面复合包覆层的结构及成分研究表明,该复合包覆层均匀分布在 NCM811 材料表面。半电池测试结果表明,在 2.7~4.3 V(vs Li/Li⁺)电压范围内,在 180 mA·g^-1电流密度下,改性后的NCM811材料循环150周后容量保持率为84.8%。而同样条件下,原始NCM811材料容量保持率为65.5%。该复合包覆层可有效提升NCM811结构和界面稳定性,减少电解液分解,降低界面阻抗。     

一步固相法合成锂离子电池高镍层状正极材料

高镍层状正极材料因其比容量高进而满足电动汽车的续航要求,是锂离子电池中占主导地位的正极材料之一。通常,商业化的高镍层状氧化物是由共沉淀前驱体合成的,而在共沉淀过程中需要对温度、 pH、 搅拌速率等条件的精确控制,以确保镍、钴和锰等阳离子的原子级混合。本文采用了简单的一步固相法成功合成了超高镍含量的层状氧化物材料。通过使用与目标产物具有相似层状结构的前驱体氢氧化镍,成功合成了LiNiO₂和LiNi_xCo_yO₂ (x = 0.85, 0.9, 0.95; x + y = 1),其电化学性能可与共沉淀前驱体制备的高镍材料相媲美。通过XRD和XPS测试证实了Co掺杂到LiNiO₂中,并抑制了高镍氧化物中的锂镍混排。掺杂剂Co在提高高镍材料的放电容量、倍率性能和循环性能方面具有明显的优势。一步固相法为未来制备下一代高性能超高镍锂离子正极材料提供了一种简单有效制备方法。     

偏铝酸锂/环化聚丙烯腈共包覆改性高镍层状正极材料的制备

构建表面无机-有机复合包覆层,用于改善高镍层状(NCM811)正极材料结构和界面不稳定问题。复合包覆层由纳米偏铝酸锂(LiAlO₂,LAO)和环化聚丙烯腈(cPAN)构成。该复合包覆层中LAO是一种典型的锂离子导体,可提供Li⁺迁移通道;PAN环化后,可产生离域的π键,形成具有电子导电性的cPAN。材料表面复合包覆层的结构及成分研究表明,该复合包覆层均匀分布在 NCM811 材料表面。半电池测试结果表明,在 2.7~4.3 V(vs Li/Li⁺)电压范围内,在 180 mA·g^-1电流密度下,改性后的NCM811材料循环150周后容量保持率为84.8%。而同样条件下,原始NCM811材料容量保持率为65.5%。该复合包覆层可有效提升NCM811结构和界面稳定性,减少电解液分解,降低界面阻抗。     

Stabilizing High-voltage Cathode Materials for Next-generation Li-ion Batteries

The pressing demand for high-energy/power lithium-ion batteries requires the deployment of cathode materials with higher capacity and output voltage.Despite more than ten years of research,high-voltage cathode mate-rials,such as high-voltage layered oxides,spinel LiNi0.5Mn1.5O4,and high-voltage polyanionic compounds still cannot be commercially viable due to the instabilities of standard electrolytes,cathode materials,and cathode electrolyte interphases under high-voltage operation.This paper summarizes the recent advances in addressing the surface and interface issues haunting the application of high-voltage cathode materials.The understanding of the limitations and advantages of different modification protocols will direct the future endeavours on advancing high-energy/power lithium-ion batteries.     

NASICON结构正极材料用于钠离子电池的研究进展

随着二次电池技术的迅速发展,锂离子电池(LIBs)已经成为了当今社会一种重要的储能装置。然而,地壳中锂资源有限、含锂化合物价格昂贵,因此科研工作者正在积极寻找LIBs的替代品。钠离子电池(SIBs)具有与LIBs相似的工作原理,且钠元素在地球上储量更丰富更均匀、价格更低廉,使得SIBs成为了最有希望替代LIBs的新型二次电池体系之一。不过,钠离子半径较大、充放电过程中电极材料的不可逆性更明显等缺点,明显地增加了开发高性能SIBs的难度。因此,寻找具有优异性能的电极材料,成为了当前SIBs研究的难点和重点。钠超离子导体(NASICON)结构材料是一类具有超快钠离子传导能力的化合物,在脱/嵌钠过程中具有离子传导率高、结构稳定等优点,表现出明显的应用潜力。本文将在介绍NASICON材料晶体结构的基础上,重点从过渡金属种类与个数,以及阴离子调控的角度,总结其研究进展,并分析了该类材料面临的主要问题和挑战。     

氟磷酸盐及正硅酸盐锂离子电池正极材料研究进展

综述了用于锂离子电池的氟磷酸盐和正硅酸盐正极材料的研究现状, 重点对各种材料的结构及合成方法与性能的关系, 特别是对如何改善材料的电化学性能进行了总结和探讨. 展望了这两类锂离子电池正极材料的发展趋势.     

锂离子二次电池锰系正极材料

综述了锂离子二次电池锰系正极材料的研究进展，侧重于阐述尖晶石型及层状锰酸锂的制备、结构与电化学性能之间的关系。     

基于虚拟仿真实验的锂离子电池正极材料制备及性能探究

With the rapid development of new energy industry, many universities have launched comprehensive experiments about preparation, characterization, battery assembly and performance testing of lithium-ion battery materials, and have achieved good teaching results. However, due to the limitations of equipment cost and experimental time, it is impossible to meet all experimental needs. We use virtual simulation technology to make students familiar with the basic operation skills of electrochemical experiments and the use of related instruments. Through the virtual experiment about the complete process of lithium-ion batteries including preparation of positive electrode materials, assembly of and performance testing during, we established a new teaching model of online and offline integration and improved the experiment efficiency and success rate in actual operation. At the same time, this model broaden students' vision and cultivate students' practical ability and innovative awareness.     

锂离子电池正极材料LiV3-xMnxO8的水热合成与性能

采用水热法制备了Mn掺杂改性的锂二次电池钒基层状正极材料LiV3-xMnxO8(x=0.00, 0.01, 0.02, 0.04, 0.06, 0.08, 0.10). 用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)对材料的晶体结构和形貌进行表征, 并以50 mA·g-1的电流对材料进行恒流充放电测试. 研究了Mn掺杂对材料晶体结构和电化学性能的影响. 结果表明, Mn掺杂能够明显改善材料的电化学性能. 在掺杂改性的LiV3-xMnxO8材料中, LiV2.94Mn0.06O8的初始容量最高, 达到295 mAh·g-1. 当掺杂量控制在0.01≤x≤0.08范围内时, LiV3-xMnxO8材料均具有较好的循环性能和充放电可逆性, 经20次循环后放电比容量都保持在120 mAh·g-1以上, 40次循环后都保持在100 mAh·g-1以上, 且材料的充放电效率始终维持在93%以上.     

表面限域掺杂提升高比能正极材料稳定性

Lithium ion batteries (LIBs) have broad applications in a wide variety of a fields pertaining to energy storage devices. In line with the increasing demand in emerging areas such as long-range electric vehicles and smart grids, there is a continuous effort to achieve high energy by maximizing the reversible capacity of electrode materials, particularly cathode materials. However, in recent years, with the continuous enhancement of battery energy density, safety issues have increasingly attracted the attention of researchers, becoming a non-negligible factor in determining whether the electric vehicle industry has a foothold. The key issue in the development of battery systems with high specific energies is the intrinsic instability of the cathode, with the accompanying question of safety. The failure mechanism and stability of high-specific-capacity cathode materials for the next generation of LIBs, including nickel-rich cathodes, high-voltage spinel cathodes, and lithium-rich layered cathodes, have attracted extensive research attention. Systematic studies related to the intrinsic physical and chemical properties of different cathodes are crucial to elucidate the instability mechanisms of positive active materials. Factors that these studies must address include the stability under extended electrochemical cycles with respect to dissolution of metal ions in LiPF₆-based electrolytes due to HF corrosion of the electrode; cation mixing due to the similarity in radius between Li⁺ and Ni²⁺; oxygen evolution when the cathode is charged to a high voltage; the origin of cracks generated during repeated charge/discharge processes arising from the anisotropy of the cell parameters; and electrolyte decomposition when traces of water are present. Regulating the surface nanostructure and bulk crystal lattice of electrode materials is an effective way to meet the demand for cathode materials with high energy density and outstanding stability. Surface modification treatment of positive active materials can slow side reactions and the loss of active material, thereby extending the life of the cathode material and improving the safety of the battery. This review is targeted at the failure mechanisms related to the electrochemical cycle, and a synthetic strategy to ameliorate the properties of cathode surface locations, with the electrochemical performance optimized by accurate surface control. From the perspective of the main stability and safety issues of high-energy cathode materials during the electrochemical cycle, a detailed discussion is presented on the current understanding of the mechanism of performance failure. It is crucial to seek out favorable strategies in response to the failures. Considering the surface structure of the cathode in relation to the stability issue, a newly developed protocol, known as surface-localized doping, which can exist in different states to modify the surface properties of high-energy cathodes, is discussed as a means of ensuring significantly improved stability and safety. Finally, we envision the future challenges and possible research directions related to the stability control of next-generation high-energy cathode materials.     

层状LiMnO_2正极材料的研究进展

层状LiMnO2 化合物的研究是目前锂离子电池正极材料锂锰氧化物研究工作的新热点 ,本文综述了近年来国内外LiMnO2 化合物的研究进展 ,主要阐述了具有层状和扭曲层状结构的m LiMnO2和o LiMnO2 的结构、电性能、合成和改性方法等方面的研究状况 ,重点介绍了离子交换法合成层状LiMnO2 的原因和机理。探索新的合成方法和掺杂其它金属离子改性以提高循环性能是今后LiMnO2 的研究趋势。     

动力型锂离子电池富锂三元正极材料研究进展

随着电动汽车、智能电网以及大规模储能领域的快速发展,对作为储能设备的锂离子电池的各项性能指标,如能量密度和功率密度等,提出了更加苛刻的要求。因此,开发稳定性好、比容量高的新型正极材料是进一步提高锂离子电池能量密度的关键。富锂三元正极材料xLi_2MnO_3·(1-x)Li Mn_(1/3)Ni_(1/3)Co_(1/3)O_2(0.1≤x≤0.5)具有工作电压高、比容量高、环境友好等优点,引起了广大科研工作者的高度关注和广泛研究。本文就此类新型富锂三元正极材料的研究进展进行了总结,对该类材料的晶体结构特征以及首次充放电机理、电化学性能的改善等进行了评述,并对其未来的发展方向进行了展望。     

锂离子电池富锂正极材料Li[NixLi1/3-2x/3Mn2/3-x/3]O2(x=1/5, 1/4, 1/3)的合成及电化学性能

通过共沉淀法制备了M(OH)2(M=Mn, Ni)前驱体, 并与LiOH混合, 合成了锂离子电池富锂正极材料Li[NixLi1/3-2x/3Mn2/3-x/3]O2, 采用XRD、SEM和充放电实验对其进行表征. 研究结果表明, Li, Ni, Mn原子在M层中呈有序分布, 形成超结构; 富锂正极材料由亚微米的一次粒子团聚组成1~3 μm颗粒; 在2.0~4.8 V电位范围内, 充放电电流密度为10 mA/g时, 富锂正极材料表现出很高的可逆比容量, 达到200~240 mA·h/g, 同时具有良好的循环可逆性能.