惰性气氛助力锰酸锂正极材料储锂性能提升

尖晶石锰酸锂(LiMn₂O₄)作为一种不含贵金属和有毒元素的低成本、绿色环保的锂离子电池正极材料,具有广袤的应用与研究前景。本项工作中,利用氩气为惰性气氛,采用高温固相合成法,制备出了粒径均匀、性能优异的LiMn₂O₄正极材料。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对材料进行了结构表征与分析,进行了充放电循环、循环伏安(CV)和电化学阻抗(EIS)等电化学性能测试,并对煅烧氛围和煅烧温度进行了探讨分析。结果表明,在1 C倍率下,首圈放电比容量为114.2 mAh·g^-1,100次充放电循环后放电比容量还有98.4 mAh·g^-1,容量保持率为86.2%。实验证明,惰性气氛对提升LiMn₂O₄电化学储锂性能行之有效。     

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.     

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。     

锂离子电池正极材料Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2的合成及电化学性能研究

以LiOH•H₂O, Ni₂O₃, Co₃O₄和MnO₂为原料, 经过机械活化后在空气气氛下经高温烧结, 合成了锂离子电池正极材料Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13]O₂. 通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和电化学性能测试对所得样品的结构、形貌及电化学性能进行了表征. 结果表明, 900 ℃下烧结10 h后可获得晶粒细小均匀的层状Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13]O₂材料, 并具有良好的电化学性能, 在室温下以60 mA/g的电流充放电, 首次放电比容量可达到248.2 mAh/g, 循环50次后放电比容量为239.4 mAh/g, 容量保持率为96.45％. 测试了该材料的高低温循环性能.     

Li3V2(PO4)3/C正极材料在不同电压区间的电化学行为及容量衰减原因

采用溶胶-凝胶法制备锂离子电池正极材料Li₃V₂(PO₄)₃/C. 通过恒电流充放电测试、循环伏安(CV)、电化学阻抗谱(EIS)等方法, 研究了Li₃V₂(PO₄)₃/C 在不同电压区间的电化学行为(3.0-4.5 V和3.0-4.8 V). 结果表明, 3.0-4.8 V电压区间的循环性能和倍率性能均不及3.0-4.5 V电压区间的. 3.0-4.5 V区间0.1C (1C=150mA·g^-1)倍率首次放电比容量为127.0 mAh·g^-1, 循环50次后容量保持率为99.5%, 而3.0-4.8 V区间的分别为168.2 mAh·g^-1和78.5%. 经过高倍率测试后再回到0.1C倍率充放电, 3.0-4.5 V和3.0-4.8 V的放电比容量分别为初始0.1C倍率的99.0%和80.7%. 经过3.0-4.8 V电压区间测试后, 少部分第三个锂离子能够在低于4.5V的电压脱出, 使3.0-4.5 V电压区间的放电比容量提升了7.4%. CV结果表明3.0-4.8 V区间的容量损失主要表现为第一个锂离子的不可逆损失. 极片的X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)分析测试结果表明经过3.0-4.8 V测试后, Li₃V₂(PO₄)₃的结构发生了轻微的改变. 电感耦合等离子体(ICP)测试结果表明循环后的电解液中含有少量的V. 结构变形和V溶解可能是Li₃V₂(PO₄)₃在3.0-4.8 V区间容量衰减的主要原因.     

原位包覆导电聚吡咯的Li1.26Fe0.22Mn0.52O2富锂铁锰基正极材料的制备及电化学性能的提高

采用化学氧化聚合的方法成功合成了导电聚吡咯(PPy)包覆的纳米尺寸Li_1.26Fe_0.22Mn_0.52O₂(LFMO)正极材料。通过X射线衍射(XRD)检测样品的晶体结构,并通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)观察材料形态和微观结构。元素映射和傅里叶变换红外光谱结果表明,PPy导电网络存在于复合材料中,并且PPy均匀分布在LFMO颗粒上。通过恒流充放电测试和电化学阻抗谱(EIS)分析研究了所有样品的电化学性能,结果表明表面上的PPy显著降低了LFMO的电荷转移电阻。包覆PPy质量分数为2%的LFMO-2%PPy表现出极好的倍率性能和良好的循环稳定性,其在1C倍率下首次放电容量为206 mAh·g^-1,首圈库仑效率为87%,在1C和2C分别循环50圈后,其容量分别稳定在131和139 mAh·g^-1。     

锰源对尖晶石LiMn2O4高温性能的影响

为考察不同锰源对所制备尖晶石LiMn₂O₄(LMO)电化学性能的影响(特别是高温性能),采用沉淀法制备前驱体,通过不同煅烧温度制备得到最常用的锰氧化物(MnO₂、Mn₂O₃和Mn₃O₄)为锰源,经相同条件制备得到LMO正极材料,通过考察所得LMO形貌及电化学性能来研究锰源与LMO电化学性能的关系。研究结果表明,相同的前驱体在不同煅烧温度下可以得到不同的锰氧化物,且各自具有不同的形貌结构。由这些锰氧化物都可以得到高纯度的LMO,但产物形貌结构以及材料中的八面体晶体含量和尺寸不同。由Mn₂O₃制备得到的LMO材料中的八面体晶体含量最多,且尺寸最均匀,在3种LMO中容量性能、倍率性能和循环性能最好：0.2C(1C=148 mA·g^-1)下首次放电比容量为131.8 mAh·g^-1;3C下还有100.4 mAh·g^-1的放电比容量。其...     

壳聚糖单体溶胶凝胶煅烧合成LiFePO4/C正极

本文以壳聚糖单体为碳源兼凝胶剂,利用溶胶-凝胶煅烧合成了锂离子电池LiFePO₄/C正极材料,使用XRD和SEM对合成的材料进行表征. 用恒电流充放电测试了LiFePO₄/C电极的电化学性能,当壳聚糖单体与LiFePO4摩尔比为1:1.2时,600 ^oC煅烧的LiFePO4/C电极性能最佳,其粒径分布均匀（200 ～ 400 nm）,该电极0.2C倍率放电比容量为155 mAh.g^-1,30周期循环放电比容量仍保持152 mAh.g^-1,库仑效率为97.9 %.     

Li3Fe2(PO4)3/C正极材料的电化学性能及其反应机理研究

采用溶胶凝胶及高能球磨制得Li₃Fe₂(PO₄)₃/C材料,利用多种物理及其电化学技术观察材料形貌,表征材料结构及电化学性能,用电化学原位XAFS等初步研究Li₃Fe₂(PO₄)₃/C超理论容量电化学反应机理. 结果显示,Li₃Fe₂(PO₄)₃/C的结构为单斜晶系,空间群P21/n. 2.0 ~ 4.0 V电位区间,10 mAh·g^-1电流密度,Li₃Fe₂(PO₄)₃/C电极的首周期放电比容量为129 mAh·g^-1,达到其理论容量. 若电位区间拓宽至2.0 ~ 4.95 V,其首周期放电比容量高达165 mAh·g^-1,超出理论的“额外”容量30%. 电化学原位XAFS测试未观察到明显的Fe³⁺/Fe⁴⁺氧化还原对参与电化学反应,初步推测“额外”容量可能来自于该复合材料的高浓度表面缺陷.     

锂离子电池负极材料Li4Ti5O12的合成及性能研究

本文通过乙酸锂与二氧化钛反应,采用一步高温固相法在不同反应温度（750 °C/800 °C/850 °C）和反应气氛（氮气/空气）下合成Li₄Ti₅O₁₂材料. 通过热重分析、X射线衍射、扫描电子显微镜、循环伏安曲线和充放电曲线分析了Li₄Ti₅O₁₂的晶体结构,观察其微观形貌,并测试其电化学性能. 结果表明,800 °C氮气烧结得到的Li₄Ti₅O₁₂（L-800N）材料粒径较小,该材料在1.0C倍率下的首周期放电比容量达到170.7 mAh·g^-1,100周期循环后的容量保持率高达94.6%,即使是10C高倍率其首周期放电容量依然有143.0 mAh·g^-1,表现出了良好的倍率和循环寿命性能.     

石墨烯掺杂LiFePO4电极材料的合成及其电化学性能

采用水热辅助法合成石墨烯改性的LiFePO4多孔微球电极材料.并对材料进行了X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM),傅里叶变换红外(FT-IR)光谱,充放电等表征.从结果可以看出在2 mol·L-1LiNO3电解液体系中单纯包碳的LiFePO4微球在1C、50C倍率时的比容量分别为137、64 mAh·g-1,而石墨烯改性的LiFePO4微球的比容量分别为141、105 mAh·g-1,表现出较好的倍率特性.恒流循环充放电测试60次后两种材料容量保持率分别为70.2％、83.7％.说明掺杂石墨烯构成的三维导电网络能明显改善LiFePO4的电化学性能.     

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.     

钼掺杂Li3V2（PO4）3/C正极材料的制备及其电化学性能研究

以Li2CO3、NH4H2PO4、V2O5和MoO3为原料,柠檬酸为络合剂和碳源,采用溶胶-凝胶法制备了锂离子正极材料Li3MoxV2-x(PO4)3/C(x=0.01,0.02,0.03).X射线衍射(XRD)表明,合成的材料具有单一的单斜晶系结构,空间群为P21/n.扫描电镜(SEM)显示Li3Mo0.02V1.98(PO4)3/C具有均一的表面形貌.恒流充放电测试表明,当x=0.02时,掺杂后的Li3Mo0.02V1.98(PO4)3具有最佳的电化学性能.在1C倍率下,3.0～4.3 V电位区间,Li3Mo0.02V1.98(PO4)3/C的首次放电比容量达到122.3 mAh.g-1,循环50周之后,容量没有衰减的迹象;而当x=0、0.01和0.03时,首次放电比容量仅分别为117.1、115.1和116.0 mAh.g-1.在3C和5C倍率下,样品Li3Mo0.02V1.98(PO4)3/C仍能保持优异的循环稳定性.     

碳包覆Na2Ti6O13纳米管的电化学性能研究

以金红石型TiO2和NaOH为原料,由水热反应制备Na2Ti6O13纳米管.然后,在含有0.1 mol.L-1NaOH的葡萄糖水溶液中反应4 h制得碳包覆的Na2Ti6O13纳米管.X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等分析表明,该碳包覆Na2Ti6O13纳米管外径约14～19 nm,内径约2～5 nm,长度为数百纳米,有一层厚度约为2 nm的碳层包覆在纳米管外壁.以其作为锂离子电池负极材料,恒电流充放电测试表明,在50 mA.g-1电流密度下首周可逆容量达到161 mAh.g-1,循环100周后容量保持在147 mAh.g-1.相比于Na2Ti6O13纳米管,提高了20%以上.电流密度升至1600 mA.g-1充放电,碳包覆Na2Ti6O13纳米管可逆容量仍有70 mAh.g-1左右,远高于Na2Ti6O13纳米管,表现出良好的倍率性能.     

锂离子电池负极材料Li4Ti5O12的半固相法制备及碳包覆改性

由半固相法制得锂离子电池负极材料Li4Ti5O12,并研究了Li4Ti5O12的碳包覆改性.采用XRD、SEM、TEM以及HRTEM观察和分析产物的相结构与形貌.采用恒流充放电、循环伏安法和交流阻抗技术测试了材料的电化学性质.结果表明,Li4Ti5O12因颗粒团聚电化学性能严重下降,该电极在0.1C和0.5C首周期放电容量分别为121.7和87.6 mAh·g-1;碳包覆Li4Ti5O12/C材料呈球形分布,能抑制颗粒团聚,该电极倍率<0.5C时的放电比容量大于180 mAh·g-1,超过Li4Ti5O12的理论放电比容量(175 mAh·g-1);在1C、5C和10C倍率下,其容量仍保持在136、79.9和58.3 mAh·g-1,碳包覆改性材料具有优异的循环寿命和高倍率性能.     

表面活性剂碳化法合成Fe3O4/C复合物及其电化学性能

以水热法合成的包覆油酸的α-Fe₂O₃粒子为前驱体, 在氩气下500 °C煅烧1 h, 得到Fe₃O₄/C纳米复合物. 用傅里叶变换红外(FTIR)光谱, X射线衍射(XRD), 扫描电镜(SEM), X射线能量散射(EDX)谱, 高分辨透射电镜(HRTEM), 元素分析, 循环伏安(CV)和恒流充放电测试等方法对材料的结构、形貌、成分及电化学性能进行了表征. 结果表明: 所制备的Fe₃O₄/C复合物呈长约200 nm, 粗约100 nm的纺锤形, 表面碳层厚约1-2 nm, 碳含量为1.956%(质量分数); 这种复合物作为锂离子电池负极材料具有很好的循环稳定性(在0.2C (1C=928 mA·g^-1)循环80次后具有691.7 mAh·g^-1比容量)和倍率性能(在2C循环20次后依然有520 mAh·g^-1比容量). 相对于未包覆的商业Fe₃O₄粒子, 复合物显著提高的电化学性能是由于碳包覆能防止粒子聚集, 提高导电性以及稳定固体电解质界面(SEI)膜.     

水热法合成α-MnO2纳米棒及其电化学性能

以KMnO4、氧化石墨(GO)和硫酸为原料,在120℃水热条件下3 h成功合成了直径为10~20 nm,长度为300~400 nm的α-MnO2纳米棒。研究发现GO的引入降低了纳米棒的制备温度,缩短了反应时间。电化学测试结果表明,在1 mol.L-1Na2SO4中性水系电解液中,该纳米棒表现出良好的电容性能,当扫描速率分别为2 mV.s-1和5 mV.s-1时,比电容分别为276 F.g-1和240F.g-1;该纳米材料是一种潜在的电化学电容器电极材料。     

水热法合成高功率锂离子二次电池用球形Li4Ti5O12负极材料

以球形TiO2和LiOH溶液为反应物,通过水热法合成了尖晶石型Li4Ti5O12,并使用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、扫描电镜(SEM)和激光粒度分布(PSD)对其结构、形貌和电化学性能进行了表征.结果表明:通过该法得到的产品颗粒大小均匀,粒度分布狭窄,结构与标准Li4Ti5O12谱图一致.实验选定温度下所得的Li4Ti5O12均表现出良好的电化学性能.其中,800°C热处理所得样品的电化学性能最好,室温下,以35mA·g-1的电流密度进行充放电,其可逆容量达到162mAh·g-1,同时这种材料也表现出良好的倍率性能,即使在720mA·g-1的电流密度条件下进行充放电,其可逆容量仍可达到124mAh·g-1.     

聚乙撑二氧噻吩/二氧化锰纳米复合物的界面聚合制备及其电化学性能

采用界面聚合法制备聚3,4-乙撑二氧噻吩/二氧化锰(PEDOT/MnO2)纳米复合物. 通过红外(IR)光谱、X射线衍射(XRD)、BET比表面积、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对样品进行表征. 结果表明, 产物是具有丰富的多孔孔道结构的无定型纳米材料, 孔径主要分布在5-25 nm范围内, 比表面积可达98 m2·g-1. 同时用循环伏安(CV)、恒流充放电和交流阻抗(EIS)等电化学测试表明, 在0.5 mol·L-1 Na2SO4溶液中, -0.2 - 0.8 V(vs SCE)的电化学窗口下, PEDOT/MnO2纳米复合物显示出良好的电化学性能, 当电流密度为0.5 A·g-1时, 所制备的PEDOT/MnO2单电极比容量达196.3 F·g-1, 500次循环后样品放电比容量保持90%左右.     

锂离子电池正极材料xLi2MnO3·(1-x)Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2的制备及表征

以过渡金属乙酸盐和乙酸锂为原料,柠檬酸为螯合剂,通过溶胶-凝胶法结合高温煅烧法制备了锂离子电池富锂锰基正极材料xLi2MnO3·(1-x)Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2,采用X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM)和电化学性能测试对所得样品的结构,形貌及电化学性能进行了表征.结果表明:x=0.5时,在900°C下煅烧12h得到颗粒均匀细小的层状xLi2MnO3·(1-x)Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2材料,并具有良好的电化学性能,在室温下以20mA·g-1的电流密度充放电,2.0-4.8V电位范围内首次放电比容量高达260.0mAh·g-1,循环40次后放电比容量为244.7mAh·g-1,容量保持率为94.12%.