高电压锂离子正极材料LiNi0.5Mn1.5O4高温特性

随着新能源电动汽车和大容量储能的快速发展,亟需开发高能量密度、高功率密度的锂离子电池。镍锰酸锂(LiNi_0.5Mn_1.5O₄)由于具有高电压平台(4.7V)、较高的能量密度和功率密度、资源丰富、成本低等优点,被认为是最具潜力的锂离子电池正极材料之一。然而,在高温条件下,LiNi_0.5Mn_1.5O₄会与电解液发生严重的界面副反应,导致循环性能变差,这严重制约了其商业化进程。因此,改善LiNi_0.5Mn_1.5O₄的高温特性成为锂离子电池领域的研究热点之一。本文对近期LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料相关研究的主要成果进行综述,以LiNi_0.5Mn_1.5O₄的基本特性和现存挑战入手,着重关注离子掺杂、表面包覆和表面掺杂等策略提升材料的高温性能,并为后续研究提出建议和展望。     

5 V锂离子电池正极材料LiNi0.5Mn1.5O4的合成与Li+在材料中的扩散性能

使用草酸盐共沉淀法合成了5 V正极材料LiNi0.5Mn1.5O4,研究了不同温度下合成的材料结构形貌与电化学性能之间的关系。结果表明,在900℃下合成的样品电化学性能最好,可逆放电容量达到133.0 mAh?g-1,经30周循环后,容量仍然保持在132.2 mAh?g-1,容量保持率高达99.4%。使用恒电位间歇滴定法(PITT)测定了锂离子在LiNi0.5Mn1.5O4材料中的扩散系数。结果表明,在LiNi0.5Mn1.5O4材料放电过程中,在不同电位嵌锂量不同,发生反应的氧化还原电对也不同,锂离子的扩散系数在不同的电位下也会有差别,扩散系数在10e-10 cm2?s-1~10e-11 cm2?s-1范围内变     

高密度LiNi0.5Mn1.5O4前躯体的制备工艺研究

采用二次干燥的化学共沉淀法制备出了LiNi0.5Mn1.5O4电池正极材料的前躯体.通过研究反应物浓度、聚沉剂、滤饼含水量和干燥方式等对产物品体结构和振实密度的影响,得到制备高密度锂离子电池正极材料前躯体的适宜条件为:NiSO4为0.375 mol/L,少量多次的添加聚沉剂,滤饼含水量为28％以及采用二次干燥的方式;该...     

草酸盐共沉淀法制备锂离子电池正极材料LiNi0.5Mn0.5O2及其电化学性能

使用草酸盐共沉淀法合成了LiNi0.5Mn0.5O2, 并研究了共沉淀时的pH条件对终产物的结构、形貌及电化学性能的影响. 采用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)表征了在pH值为4.0、5.5、7.0和8.5时得到的共沉淀和终产物LiNi0.5Mn0.5O2的结构和形貌. 使用充放电实验研究了不同pH条件下得到的LiNi0.5Mn0.5O2的电化学性能. 结果表明, pH为7.0时, 合成的材料颗粒更小、分布最均匀, 材料具有良好的层状特征, 且材料中锂镍的混排程度最小. 电化学测试结果印证了pH为7.0时合成的材料具有更好的电化学性能, 在0.1C的倍率下, 材料的首次放电比容量达到了185 mAh·g-1, 在循环20周后, 放电比容量仍然保持在160 mAh·g-1. X射线光电子能谱(XPS)测试结果表明, pH为7.0时合成的LiNi0.5Mn0.5O2中Ni为+2价, Mn为+4价.     

锂离子电池正极材料LiNi0.5Mn1.5O4金属掺杂的第一性原理研究

近来尖晶石相LiNi0.5Mn1.5O4被认为是一种有前景的二次锂离子电池正极材料.但是其相对较差的循环性能和倍率性能限制了LiNi0.5Mn1.5O4的大规模应用.金属掺杂被认为是一种提高其电化学性能的有效方法.然而,还急需深层次地理解掺杂对材料结构和电化学性质的影响.采用第一性原理方法,系统地研究了金属掺杂的LiM0.125Ni0.375Mn1.5O4(M为Cr,Fe和Co)电极体系的结构与电子性质.计算结果显示,少量的过渡金属M取代LiNi0.5Mn1.5O4晶格中的Ni,能够有效抑制材料在电化学脱嵌锂过程中的体积变化(从锂化相到脱锂相,体积变化率约为4%,而未掺杂的情况为4.7%),提高材料循环性能.体系态密度表明金属掺杂能够减小体系的带隙,进而提高材料的电子传导.另外,通过Li离子的扩散计算,我们发现与未掺杂的LiNi0.5Mn1.5O4相比,Co掺杂使得Li在材料中两条不同扩散路径的扩散能垒分别降低了约90 meV和140 meV,表明Co掺杂有利于Li在材料中的快速扩散.     

锂离子电池正极材料LiNi 0.5Co 0.2Mn 0.3O2和LiNi 0.5Co 0.2Mn 0.3O2/LiFePO4容量衰减原因分析

采用湿法球磨法制备了锂离子电池混合正极材料LiNi _0.5Co _0.2Mn _0.3O₂/LiFePO₄ (NMC532/LFP). 通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、充放电测试和电化学阻抗谱测试(EIS)等方法研究对比了LiNi _0.5Co _0.2Mn _0.3O₂(NMC532)和LiNi _0.5Co _0.2Mn _0.3O₂/LiFePO₄ (NMC532/LFP)的容量衰减机理,结果表明：循环50次和60℃高温存储后,NMC532/LFP的容量保持率分别为97.80%、86.48%,其循环和高温存储性能较好. 循环和高温存储后NMC532和NMC532/LFP的电荷传递阻抗Rct明显增大,但NMC532/LFP的Rct较小. NMC532和NMC532/LFP的I(003)/I(104)值都有所减小,但NMC532/LFP的I(003)/I(104)值比NMC532的大,即NMC532/LFP材料的阳离子混排现象有所改善. 循环后NMC532、NMC532/LFP颗粒没有出现明显的表面开裂和链接断裂现象,但NMC532颗粒有部分发生粉化. 高温储存后NMC532颗粒表面出现裂纹,且颗粒之间的链接断裂,NMC532/LFP颗粒表面出现轻微粉化. 材料结构规整度下降,阳离子混排程度加剧,电荷传递阻抗增大是NMC532和NMC532/LFP容量衰减的主要原因.     

水合肼对锂离子正极材料LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4性能的影响

以NiSO4和MnSO4为原料,在用共沉淀法经二次干燥制备锂离子电池正极材料LiNi0.5Mn1.5O4的前驱体时,加入水合肼进行还原处理.实验结果发现:经还原处理的前驱体制备正极材料LiNi0.5Mn1.5O4的充放电比容量远远高于同样条件下不经水合肼还原处理的前驱体制备的正极材料的充放电比容量,而且处理前驱体制备的正极材料在高倍率放电条件下电化学行为更好.粉末X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)测试结果表明,用还原剂水合肼处理的前驱体合成的样品为单一的尖晶石结构,晶粒呈规则的八面体形貌,没有杂质相,而未处理前驱体合成的样品则含有少量的杂质相.这种杂质相是在前驱体的制备过程中由于Mn(OH)2被O2氧化而形成难溶Na0.55Mn2O4.1.5H2O化合物,最终转变为Na0.7MnO2.05.     

锂离子电池正极材料LiNi_0.5Mn_1.5O_4表面包覆CuO的研究

本文首先通过共沉淀法和固相球磨法制备了纳米级的LiNi0.5Mn1.5O4高电压正极材料,然后通过溶胶-凝胶法制备了表面包覆CuO的CuO-LiNi0.5Mn1.5O4复合材料.通过对CuO包覆量为1%,3%和5%的复合材料的电化学性能对比,发现当包覆量为1%时,材料的性能最佳.在1 C下,材料的放电比容量高达126.1 mA h g?1,循环100次后容量保持率在99.5%.CuO包覆在纳米LiNi0.5Mn1.5O4材料表面,阻止电解液与活性颗粒的直接接触,削弱了电解液与LiNi0.5Mn1.5O4的相互作用,进而在一定程度上减缓了电解液的分解;CuO的包覆同时还缓解了电解液中HF对材料的攻击,阻止了锰的溶解和由此带来的结构改变,进而提高了材料的循环稳定性.     

高倍率球形锂离子电池正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的制备及其电化学性能研究

采用碳酸盐共沉淀-高温固相法制备得到了颗粒平均尺寸约5 μm振实密度为2.1 g·cm^-3的均匀微球形高镍LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂材料.X射线衍射（XRD）分析和透射电镜（TEM）结果表明这种微球状LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂材料具有完善的层状α-NaFeO₂结构,过渡金属层原子呈[√3×√3]R30°排布.电化学性能测试结果证实了该材料具有优异的循环稳定性和高倍率性能.具体而言,在2.7~4.3 V,1C下循环100次后的放电比容量为150 mAh·g^-1,容量保持率为94.6%,在30C的超高倍率下,放电比容量还能达到96 mAh·g^-1.同时,该材料的储能能力也非常突出,在0.1C时比能量密度为687.83 Wh·kg^-1（体积能量密度为1444.45 Wh·L^-1）,在30C时仍达335.27 Wh·kg^-1（体积能量密度为704.07 Wh·L^-1）,非常有潜力应用于商业化高能量密度锂离子电池.     

层状LiNi0.5Mn0.5O2正极材料的合成与电性能研究

用共沉淀法于850 ℃在空气中煅烧24 h合成出层状LiNi0.5Mn0.5O2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组成、结构、形貌及电化学性能.本层状LiNi0.5Mn0.5O2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=0.2897 nm, c=1.431 nm.当材料分别在在2.8～4.2, 2.8～4.4, 2.8～4.7 V间进行充放电时,其首次放电容量分别为145, 153, 195 mAh*g-1,且随着充放电电压升高,材料的首次放电不可逆容量增大,循环稳定性减弱.该材料显示出层状LiNiO2正极材料的充放电特性,在20次充放电循环后,材料仍保持原层状结构.     

凝胶燃烧法合成5V级正极材料LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4及其高倍率放电性能

采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为络合剂和燃料以凝胶燃烧法制备了具有优异高倍率放电性能的亚微米LiNi0.5Mn1.5O4材料.用热重/差热分析(TG/DTA)研究了凝胶的燃烧过程,用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和循环伏安(CV)研究了LiNi0.5Mn1.5O4材料的结构和形貌.结果表明材料为结晶良好的纯尖晶石相结构,由5μm左右的二次颗粒组成,颗粒大小分布均匀,一次晶粒发育良好,粒径在500nm左右.充放电测试表明材料的倍率性能和循环性能十分优异.在3.5至4.9V进行充放电测试,0.5C、1C、4C、8C和10C倍率下放电容量分别为131.9、127.6、123.4、118.4和113.7mAh·g-1.在10C大倍率放电条件下循环100、500和1000次的容量保持率分别为91.4%、80.9%和73.5%.     

磷酸钐包覆对高电压镍锰酸锂正极材料电化学性能的影响

尖晶石型镍锰酸锂(LiNi_0.5Mn_1.5O₄)因制备成本低、 放电平台高及循环寿命长等优点, 越来越多地应用于大型储能设备、 能量转换设备、 动力汽车等领域. 然而LiNi_0.5Mn_1.5O₄在高电压(5 V)充电状态下电解液易分解, 从而导致比容量降低以及循环性能衰退. 针对以上问题, 采用水热法制备磷酸钐(SmPO₄)表面包覆改性LiNi_0.5Mn_1.5O₄正极材料, 研究了SmPO₄包覆量对LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料电化学性能的影响. 结果表明, 当SmPO₄包覆量为0.5%(质量分数)时, 改性材料(LNMO@SP-0.5)的电化学性能最优, 在0.2C和5C倍率下的放电比容量分别为129.2和90.9 mA?h/g, 而未包覆的材料Pristine LNMO的放电比容量分别仅有114.2和77.7 mA?h/g. 在常温1C倍率下循环200次后, LNMO@SP-0.5的容量保持率为93.4%, 而Pristine LNMO的容量保持率仅为86.6%. 这归因于SmPO₄包覆能够有效缓解LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料与电解液之间的副反应, 降低电极的极化程度和电荷转移电阻, 增加了Li⁺的扩散系数.     

层状LiNi0.5Mn0.5O2正极材料的优化合成及电化学性能

采用沉淀法首先得到了Ni0.5Mn0.5(OH)2沉淀物,以其为原料与LiOH反应制备了LiNi0.5Mn0.5O2正极材料。采用XRD、SEM、充放电测试等研究了其结构与电化学性能,同时研究了Li过量时对材料电化学性能和结构的影响。SEM分析表明,Ni0.5Mn0.5(OH)2与LiNi0.5Mn0.5O2产物均为微小晶粒团聚成的颗粒。LiNi0.5Mn0.5O2材料在2.5~4.4V电位区间内,首次放电容量为130mAh/g,0.2C倍率下,50次循环后的容量保持率为87.8%。锂过量有助于形成良好的层状结构材料,并能显著提高材料的比容量和循环性能,Li1.1Ni0.5Mn0.5O2的首次放电容量为149mAh/g,0.2C倍率下,50次循环后的容量保持率为92.6%。     

Li3PO4‐Coated LiNi0.5Mn1.5O4: A Stable High‐Voltage Cathode Material for Lithium‐Ion Batteries

LiNi_0.5Mn_1.5O₄ is regarded as a promising cathode material to increase the energy density of lithium‐ion batteries due to the high discharge voltage (ca. 4.7 V). However, the interface between the LiNi_0.5Mn_1.5O₄ cathode and the electrolyte is a great concern because of the decomposition of the electrolyte on the cathode surface at high operational potentials. To build a stable and functional protecting layer of Li₃PO₄ on LiNi_0.5Mn_1.5O₄ to avoid direct contact between the active materials and the electrolyte is the emphasis of this study. Li₃PO₄‐coated LiNi_0.5Mn_1.5O₄ is prepared by a solid‐state reaction and noncoated LiNi_0.5Mn_1.5O₄ is prepared by the same method as a control. The materials are fully characterized by XRD, FT‐IR, and high‐resolution TEM. TEM shows that the Li₃PO₄ layer (<6 nm) is successfully coated on the LiNi_0.5Mn_1.5O₄ primary particles. XRD and FT‐IR reveal that the synthesized Li₃PO₄‐coated LiNi_0.5Mn_1.5O₄ has a cubic spinel structure with a space group of Fd$\bar 3$ m, whereas noncoated LiNi_0.5Mn_1.5O₄ shows a cubic spinel structure with a space group of P4₃32. The electrochemical performance of the prepared materials is characterized in half and full cells. Li₃PO₄‐coated LiNi_0.5Mn_1.5O₄ shows dramatically enhanced cycling performance compared with noncoated LiNi_0.5Mn_1.5O₄.     

5 V正极材料LiNi0.5Mn1.5O4的自蔓延燃烧合成及性能

通过自蔓延燃烧方法合成了性能优良的高电位5V锂离子电池正极材料LiNi0.5Mn1.5O4,利用傅立叶红外光谱(FTIR)、热分析(DSC/TG)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)等方法对前驱物及样品的结构和物化性质等进行了分析和表征,考察了材料的电化学性能。结果表明,所制备样品具有单一的尖晶石相结构,具有4.7V充放电平台;在3.5V到5.2V之间进行充放电性能测试具有131mAh·g-1以上的可逆容量;在2C倍率下循环100次后的容量保持率为96%以上。     

高电压镍锰酸锂正极/电解液界面本征性质的研究

高电压正极材料的应用是提高锂离子电池能量密度的有效手段,然而高电压下正极/电解液界面稳定性成为决定锂离子电池在高电压工作条件下循环性能和安全性能的关键因素,因此高电压下正极/电解液界面具有重要的研究价值. 但是,目前报道的正极/电解液界面的研究中通常使用传统的极片制备方法,这需要引入导电剂和粘结剂,会对后期正极活性物质表面钝化膜的形貌和组分表征带来干扰,甚至造成固体电解质界面(SEI)膜存在的假象,难以获得正极材料与电解液之间界面的本征信息. 这里,我们采用溶胶凝胶旋涂法制备了不含导电剂和粘结剂的镍锰酸锂(LNMO)正极,以其为研究对象,通过扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱(XPS)技术,结合电化学阻抗谱(EIS)研究了LNMO正极/电解液界面在充放电过程中的结构演变过程以及本征性质. 研究结果显示在充放电过程中,电解液中溶剂和电解质都会参与反应,其中LiPF₆的降解主要发生在高电压下,其降解产物在放电过程中又会被反应消耗掉. 它们的降解产物沉积到LNMO正极形成表面膜,该表面膜的主要成分随着电压的不同组分有所不同.