梯度材料LiNi0.8Co0.2O2的合成与表征

The gradient composite LiNi_0.8Co_0.2O₂ was synthesized using spherical Ni(OH)₂ particle coated by a sol-gel containing cobalt and lithium. The precursor was examined by DSC-TG. The gradient composite was characterized by SEM, EDS, XPS, XRD and ICP-AES. The XPS, EDS and ICP-AES results show that content of cobalt in the surface is higher than in the center of the spherical particle of the gradient composite. The first discharge specific capacity of the gradient composite sintered at 700 ℃ is 187.3 mAh·g^-1.     

固相反应法制备α-LiAlO2包覆LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2的电化学性能研究

以提高锂离子电池正极材料LiNi_0.4Co_0.2Mn_0.4O₂的循环性能为目的,以LiNO₃和Al(OH)₃为原料,采用固相反应法制备了α-LiAlO₂包覆LiNi_0.4Co_0.2Mn_0.4O₂正极材料。微观组织结构分析结果表明,包覆热处理后LiNi_0.4Co_0.2Mn_0.4O₂颗粒表面形成了一层不均匀絮状包覆物α-LiAlO₂。电化学测试表明,α-LiAlO₂包覆处理有效减缓了充放电循环过程中总阻抗的增加,改善了材料的循环性能。3wt% LiAlO₂包覆的正极材料在室温1C充放电循环100次后,平均每次衰减率由包覆前的0.19%下降到0.14%。     

新合成方法制备的LiCoO2正极材料的结构和电化学性能研究

采用新合成方法制备了锂离子二次电池正极材料LiCoO₂。通过ICP-AES、XRD、SEM、电化学方法等测试分析了所合成材料的物理性质和电化学性能，并与商品LiCoO₂材料作了对比研究。同时分别以国产MCMB和石墨作负极活性物质、合成的LiCoO₂作正极活性物质做成锂离子电池，对其电化学性能进行了测试。实验结果表明，所合成的LiCoO₂材料的电化学性能优于其它两种商品LiCoO₂材料，其初始放电容量为155.0 mAh·g^-1，50次循环后的容量保持率达95.3%，而且以此为正极的锂离子电池也表现出优良的电化学性能。计时电位分析结果还表明，合成的材料在充放电循环过程中发生了三次相转变过程，但相变过程具有良好的可逆性。     

微量Mg/F表面梯度渗透改善高电压LiCoO2界面脆弱

采用高温固相法在1 050 ℃下烧结，制备了LiCoO₂低浓度梯度改性样品，分别为LiF掺杂包覆(LCOLF、LCO@LF)和MgF₂掺杂包覆(LCOMF、LCO@MF)。通过光电子能谱、透射电子显微镜和电化学技术等表征方法，对比分析材料形貌及电化学性能。结果表明，体相掺杂复合电极中，LCOLF热重测试显示出最优热稳定性，LCOMF晶体中(003)和(104)晶面间距收缩；45 ℃下 1C 倍率循环 70圈后，LCOLF 和 LCOMF 比容量分别为 141.45和 166.98 mAh·g^-1，循环性能优于 LiCoO₂。表面包覆复合电极中，LCO@LF和 LCO@MF晶粒表面光洁且晶格氧键价都向更高结合能方向增强；LCO@MF构建了坚实且紧密的包覆层，循环70圈后，放电比容量和容量保持率分别为 183 mAh·g^-1和 91.26%(LCO@LF分别为 154.38 mAh·g^-1和 77.54%)，循环性能显著优于体相掺杂。     

LiNi0.8Co0.15Al0.05O2正极材料的FePO4包覆改性

使用液相包覆工艺对LiNi_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)O_2(NCA)材料进行FePO_4包覆改性,利用FePO_4优异的结构稳定性与热稳定性,对NCA的长期可靠性与安全性能进行改良。重点研究FePO_4包覆对NCA材料的改性效果,以及不同包覆量造成的NCA材料电化学性能差异。表面包覆的FePO_4保护层,能够防止NCA材料与电解液直接接触发生副反应,抑制长期循环过程中过渡金属离子的溶出,保持结构的长期稳定性。当包覆量为1.0%(w/w)时,NCA材料表现出最优的综合性能,充放电循环800次后,容量保持率依然高达95%,25℃下存储100 d后,容量保持率也高于95%,达到了兼顾能量密度、使用寿命及安全性能的理想效果。     

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。     

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。     

快离子导体LiTi2(PO4)3在LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极材料表面的原位反应包覆及其电化学性能

通过原位反应法,利用富镍层状金属氧化物LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂（LNCM811）正极材料表面残余的氢氧化锂和碳酸锂,与C₈H₂₀O₄Ti和（NH₄）H₂PO₄反应,在LNCM811表面原位生成快离子导体LiTi₂（PO₄）₃（LTP）包覆层。这种原位反应的包覆方法有利于移除LNCM811表面有害的残留物氢氧化锂和碳酸锂。而且,获得的LTP均匀包覆层不仅可以有效地抑制LNCM811表面和电解液的直接接触及其副反应,还可以确保充放电循环过程中LNCM811正极材料的快速Li⁺传导。因此,在LTP包覆层的多重作用下,LTP包覆的LNCM811正极材料具有优异的循环稳定性和倍率性能：在0.2C时,首次放电比容量高达200.6 mAh·g^-1,200圈后的可逆容量依然有155.7 mAh·g^-1;在2C和5C的高电流密度下,200圈后的可逆容量仍然有126.4和111.9 mAh·g^-1。     

LiNi0.8Co0.2O2 / MWNTs复合物超级电容器电极材料的研究

Multiwalled carbon nanotubes (MWNTs) were used as the conductive additive in the electrode materials. The electrochemical properties of supercapacitors based on LiNi_0.8Co_0.2O₂ / MWNTs composite and LiNi_0.8Co_0.2O₂/acetylene black composite and MWNTs in 1.0 mol·L^-1 LiClO₄ / EC+DEC [V(EC)∶V(DEC)=1∶1] electrolyte were investigated by means of constant charge/discharge current tests, respectively. The experimental results show that the LiNi_0.8Co_0.2O₂ / MWNTs composite has better performance than that of others, and the maximum specific capacitance of the supercapacitor can reach 271.6 F·g^-1, while the energy density is up to 339.5 Wh·kg^-1. Furthermore, it is remarkable that the performance of MWNTs is better than that of acetylene black as the conductive additive.     

流变相法合成LiNi0.85Co0.15O2的结构与电化学性能

以一种新型的软化学方法——流变相法, 成功地合成了锂离子电池正极材料LiNi_0.85Co_0.15O₂. 将在600～850 ℃氧气氛下处理6 h后得到的LiNi_1－yCo_yO₂ (y＝0.10, 0.15, 0.20, 0.25), 进行X射线粉末衍射(XRD)与电化学测试. 测试结果表明, 流变相前体经过800 ℃烧结后合成的LiNi_0.85Co_0.15O₂晶胞参数a＝0.2866 nm, c＝1.4193 nm及晶胞体积V＝0.1010 nm³, 以0.1 C倍率在3.0～4.3 V (vs. Li^＋/Li)放电时, 首次放电容量可以达到198.2 mAh/g, 20次循环后, 其放电容量仍在174 mAh/g以上.     

Single-crystal synthesis and structure refinement of the LiCoO2-LiAlO2 solid-solution compounds: LiAl0.32Co0.68O2 and LiAl0.71Co0.29O2

Single crystals of the LiCoO₂-LiAlO₂ solid solution compounds LiAl_0.32Co_0.68O₂ and LiAl_0.71Co_0.29O₂ were synthesized by a flux method using alumina crucibles. A single-crystal X-ray diffraction study confirmed the trigonal space group and the lattice parameters a=2.8056(11) Å, c=14.1079(15) Å, and c/a=5.028 for LiAl_0.32Co_0.68O₂, and a=2.8023(7) Å, c=14.184(4) Å, and c/a=5.061 for LiAl_0.71Co_0.29O₂. The crystal structures have been refined to the conventional values R=3.2% and wR=2.4% for LiAl_0.32Co_0.68O₂, and R=3.6% and wR=3.5% for LiAl_0.71Co_0.29O₂. The evidence of the location of Al atoms in the pseudotetragonal coordination (6c site), reported previously in LiAl_0.2Co_0.8O₂, could not be observed in the present electron density distribution maps in both LiAl_0.32Co_0.68O₂ and LiAl_0.71Co_0.29O₂. The octahedral distortion analysis indicated that the Al-substitution strongly affected the distortion of the LiO₆ octahedron in this solid-solution compound system, but hardly affected that of the (Al.Co)O₆ octahedron.     

微球LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料的制备及在改性电解液中的电化学性能

利用共沉淀辅以高温烧结法制备了椭球形三元高镍LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_2(LNCM811)正极材料,并用XRD、SEM和TEM对其结构和形貌进行表征。利用CV和恒流充放电测试LNCM811在添加质量含量分别为2%(w/w)DTD(硫酸乙烯酯)、1%(w/w)MMDS(甲烷二磺酸亚甲酯)及其复合添加剂2%DTD+1%MMDS的电解液中的电化学性能,并利用EIS测试其充放电过程中的动力学特性。结果发现相较于1%MMDS,2%DTD能较为显著提高LNCM811在常温的首周放电容量和首周库伦效率;1%MMDS和2%DTD均能提高电极材料的长循环寿命,室温25℃条件下2%DTD比1%MMDS效果更显著,而高温60℃下1%MMDS比2%DTD更为明显;LNCM811正极无论在室温下还是高温下在复合添加剂的电解液中均具有最好循环性能。EIS测试表明2%DTD+1%MMDS复合添加剂能显著降低LNCM811动力学阻抗。     

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。     

高容量锂离子电池正极材料LiNi0.9Co0.05Mn0.025Mg0.025O2的合成及电化学性能

以β-Ni0.9Co0.05Mn0.025Mg0.025(OH)2和LiOH.H2O为原料通过高温固相法合成了球形LiNi0.9Co0.05Mn0.025Mg0.025O2。采用热重-差热分析了反应过程,采用X射线衍射和扫描电镜对粉末的结构和形貌进行了表征。采用充放电测试和循环伏安测试对材料电化学性能进行了研究。结果表明:750℃煅烧12 h合成的LiNi0.9Co0.05Mn0.025Mg0.025O2为Li原子混排较少的良好层状结构,二次颗粒尺寸在15μm左右,且具有最高的放电比容量和良好的循环性能,在0.2C,2.8~4.3 V的条件下,首次放电比容量达207 mAh.g-1,40次循环后容量保持率为92.5%。     

CeO_2表面修饰提高锂离子电池正极材料LiNi_(0.80)Co_(0.15)Al_(0.05)O_2的循环及存储性能

采用共沉淀法制备锂离子电池正极材料LiNi0.8Co0.15Al0.05O2。通过溶胶凝胶法对LiNi0.8Co0.15Al0.05O2材料进行表面修饰提高循环和存储性能,包覆后的材料经过600℃热处理4 h。测试结果显示,0.2C下,CeO2包覆量为0.02%(物质的量比)时首次放电比容量为182.44 mAh·g-1,与未包覆样品相比没有下降;同时包覆后拥有更优的容量保持率,在2.75~4.3 V,0.5C下,100次循环后容量保持达到85.96%。包覆CeO2不仅可以阻止电极与电解液之间的副反应,而且高氧化性CeO2包覆层可以提前与电解液反应,从而消耗电解液中痕量的水和HF,保护内部活性材料。