正极材料LiNi0.5Mn1.5O4的合成及性能

采用低温固相法制备镍锰复合草酸盐，煅烧后生成的镍锰复合氧化物与Li₃CO₃混合，在空气中于700 ℃反应12 h，得到LiNi_0.5Mn_1.5O₄。通过XRD，SEM和恒电流充放电测试对样品进行了表征。XRD结果表明：复合草酸盐经390 ℃煅烧3 h，生成了多相氧化物；合成的LiNi_0.5Mn_1.5O₄为纯相，具有立方尖晶石结构。电化学测试结果表明，合成的样品在室温和高温(55 ℃)下，具有较好的电化学性能；大电流充放电时，具有良好的循环性能。     

流变相法制备LiNi0.5Mn1.5O4锂离子电池正极材料及其电化学性质

LiNi_0.5Mn_1.5O₄ was prepared by rheological method using CH₃COOLi, Ni(CH₃COO)₂ and Mn(CH₃COO)₂ as raw materials. XRD and SEM results show that LiNi_0.5Mn_1.5O₄ synthesized at 850 ℃ has cubic spinel structure with clearly defined shape and particle size of 0.2～0.4 μm. Electrochemical tests show that the LiNi_0.5Mn_1.5O₄ presents a plateau near 4.7 V and delivers the maximum discharge capacity of 140.5 mAh·g^-1. After 100 cycles, the capacity loss per cycle was only 0.015% discharged at 0.2C and the capacity retention was more than 76.3% discharged at 2.0C at room temperature and the capacity loss per cycle was only 0.32% discharged at 0.2C at 55 ℃.     

正极材料Li(Ni0.5Mn0.5)1-xMxO2 (M=Ti，Al；x=0，0.02)电化学行为的比较研究

0IntroductionMany efforts have been made to develop newmaterials as an alternative to LiCoO2due to the rela-tively high cost and toxicity of Co.Much attention hasbeen paid to layered structure cathode materials suchas LiMnO2and LiNiO2due to their lower co…     

层状正极材料LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2的结构及电化学行为

采用溶胶-凝胶方法制备了正极材料LiNi_0.5Co_0.25Mn_0.25O₂。XRD、XPS测试结果表明：LiNi_0.5Co_0.25Mn_0.25O₂中阳离子排列有序度较高，层状结构明显；Co、Mn分别以+3、+4价形式存在，Ni以+2、+3价形式存在，且Ni²⁺与Ni³⁺的含量之比约为1∶1。SEM测试结果表明：正极材料LiNi_0.5Co_0.25Mn_0.25O₂结晶粒径较均匀。充放电测试结果表明：与LiCoO₂相比，尽管LiNi_0.5Co_0.25Mn_0.25O₂的放电电压平台较低，但放电容量较高；在恒流充电模式下，当充电截止电压由4.35 V升高至4.75 V时，首次放电容量由179 mAh·g^-1增至201 mAh·g^-1，50次循环后，容量保持率由74.95%增至78.48%；在先恒流再恒压的充电模式下，电池首次放电容量为212 mAh·g^-1，50次循环后，容量保持率提高到87.71%。循环伏安测试表明：在2.80～4.80 V扫描范围内，该正极材料发生Ni²⁺/Ni³⁺，Co³⁺/Co⁴⁺两对电化学反应。EIS测试表明：随着充电截止电压的增大，该正极材料的传荷电阻变小。     

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。     

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。     

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.     

LiNi0.5Co0.5O2体系的结构稳定化作用和独立充放电机理

为了解释锂离子二次电池正极材料LiNi_0.5Co_0.5O₂具有的优良充放电循环性能和高比容量特征，采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法对LiNi_0.5Co_0.5O₂和LiNiO₂的相关特性进行了研究。结果表明LiNi_0.5Co_0.5O₂的结构稳定性优于LiNiO₂的原因在于充放电过程中体系中Ni、Co离子交替存在的价电子构型t_2g⁶e_g⁰。依据LiNi_0.5Co_0.5O₂体系中Ni离子和Co离子相互独立的电极反应提出了适用于LiNi_xCo_1-xO₂(0≤x≤1)体系的独立充放电机理(0.2C、3.0～4.2 V vs Li⁺/Li)，并得到实验的证实。     

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。     

微米级单晶高电压LiNi0.5Mn1.5O4材料的制备及性能

采用改进的共沉淀-高温固相法制备了形貌可控的高电压LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料。利用锂盐中结晶水易脱水的特点设计了低温高压反应环境。在高温煅烧之前增加反应釜预反应过程,有效提高锂盐与氧化物前驱体的混合均匀性以及反应性,抑制了杂相生成,降低了材料金属离子混排度。调控预反应温度实现了LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料形貌和颗粒尺寸的可控制备。研究表明,经过180℃预反应过程合成的样品具有规则的八面体单晶形貌,尺寸分布相对均匀,有效抑制了电极/电解液界面反应,使得合成的材料表现出优异的循环稳定性和倍率性能。常温1C下循环400次后容量保持率达到95.3%,且在20C下仍能放出120.9 m Ah·g^-1的比容量。     

La、Ce、Yb掺杂对LiNi0.5Mn1.5O4高电压正极材料性能的影响

采用低温燃烧法制备出不同稀土元素掺杂的高电压镍锰酸锂(LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4)正极材料,探究了不同掺杂比例(物质的量分数0.5%、1%、2%)和不同掺杂稀土元素(La、Ce、Yb)对样品性能的影响,并通过X射线衍射、拉曼光谱、电子顺磁共振和恒电流间歇滴定等技术探究了其影响机理。从X射线衍射图可以看出,稀土掺杂可以抑制Li_xNi_(1-x)O杂质相的产生;电感耦合等离子谱结果表明,掺杂进入的稀土元素与设计比例基本相符;从拉曼光谱图可以看出,稀土元素可以使样品的有序相增多,其中Ce掺杂样品的有序相最多;结合电子顺磁共振波谱氧空位测试,发现Ce掺杂诱导了样品中有序相比例增加,从而使样品的稳定性提高;经恒电流间歇滴定技术测试发现,Ce掺杂镍锰酸锂样品的扩散系数比未掺杂样品高了约15倍;在不同掺杂比例上,1%掺杂量时样品性能最佳。在3种最佳掺杂量的稀土元素样品中,Ce掺杂的样品性能最优,首次放电比容量可以达到133.3mAh·g~(-1),比未掺杂样品放电比容量高且首次效率提高了 18%,在1C下循环200次后,容量保持率为102%,比未掺杂样品提高了 8%。     

锰源对燃烧法制备5V级正极材料LiNi0.5Mn1.5O4的影响

以硝酸锰和醋酸锰,采用蔗糖燃烧法制备锂离子电池正极材料LiNi0.5Mn1.5O4通过XRD、SEM、粒径分布测试、循环伏安、恒流充放电测试以及交流阻抗等方法,研究了醋酸锰和硝酸锰对产物的结构、形貌、粒径及电化学性能的影响。XRD测试结果表明样品的结构都为立方尖晶石型,属于Fd3m空间群。不同的锰源对材料的粒径及粒径分布有很大的影响。以醋酸锰为原料制得的材料的粒径较小并且分布更均匀,有利于锂离子的脱出和嵌入从而提高电化学性能。以醋酸锰为锰源制得的LiNi0.5Mn1.5O4在3.6~5.2 V的充放电电压范围内的电化学性能更好,1C(1C=140.0 mA.g-1)倍率的首次放电容量为144.5 mAh.g-1,循环100周后容量保持率为96%,在3C,5C,10C以及20C的放电容量分别为136.3,132.0,124.7以及96.6 mAh.g-1。     

三(三甲基硅烷)类添加剂助力5 V镍锰酸锂电池实用化

基于LiNi_0.5Mn_1.5O₄的5 V电池尚未实现实际应用,解决这一问题的关键在于电解液调控和电极界面优化。我们系统性研究了三（三甲基硅烷）硼酸酯（TMSB）和三（三甲基硅烷）亚磷酸酯（TMSPi）作为常规碳酸乙烯酯（EC）-LiPF₆基电解液添加剂在LiNi_0.5Mn_1.5O₄电池体系中的应用。结合理论计算、物理化学表征以及电化学手段分析了三（三甲基硅烷）类添加剂在高压电解液中的作用机制。研究发现,TMSB和TMSPi均可以通过优化电极/电解液界面来提高LiNi_0.5Mn_1.5O₄循环稳定性和库仑效率。TMSB中缺电子B可与阴离子相互作用,稳定PF₆^-,抑制LiNi_0.5Mn_1.5O₄正极阻抗的持续增加。TMSPi具有更高的最高占据分子轨道（HOMO）能级,可在更低电位下钝化高压正极,提高LiNi_0.5Mn_1.5O₄放电电压平台和放电容量。此外,TMSPi还可通过亲核反应参与石墨界面组分优化,改善负极循环性能。石墨LiNi_0.5Mn_1.5O₄软包电池在含1% TMSPi电解液中1C循环100次后的容量保持率为88.9%,优于基础电解液（60.5%）和含1% TMSB的电解液（77.4%）。     

LiNi0.5-xAl2xMn1.5-xO4的制备、结构及电化学特征

采用喷雾干燥法合成了LiNi0.5-xAl2xMn1.5-xO4(0≤2x≤0.15)正极材料,研究Al掺杂对LiNi0.5Mn1.5O4材料结构与电化学性能的影响.通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、电感耦合等离子体-原子发射光谱(ICP-AES)、傅里叶红外光谱(FTIR)、循环伏安(CV)和充放电测试等手段对其结构及电化学性能进行表征.结果表明,Al取代Ni和Mn使材料的晶体结构发生了转变,空间群由P4332转变为Fd3m,同时增大了锂离子的扩散速率,提高了材料的倍率性能.在室温下,LiNi0.4 5Al0.1Mn1.45O4表现了最好的倍率性能,当放电电流为0.5 C时,放电容量为126 mA.h/g,当放电电流增加到5 C时,放电容量为109 mA.h/g,保持率达到了87%.此外,Al取代Ni和Mn有效降低了材料在高温下的Mn溶解量,从而有效改善了材料在高温大倍率下的循环性能.LiNi0.45Al0.1Mn1.45O4材料在50℃,倍率为3 C时,放电容量为121.7mA.h/g,循环50次后,仍可保留初始容量的94%.