表面化学侵蚀改性富锂层状正极材料Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2

采用3种不同pH值的去离子水,NH₄NO₃和H₂C₂O₄溶液对富锂层状正极材料Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13]O₂进行表面化学侵蚀改性,旨在改善其整体电化学性能。ICP结果表明pH值对材料中Li的析出具有显著影响。X射线衍射（XRD）表明表面化学侵蚀对材料的结构有影响。拉曼光谱（Raman spectroscopy）表明材料表面结构发生了变化。H₂C₂O₄溶液侵蚀过的样品的首次效率有了极大提高,但同时中值电压和循环性能显著恶化。NH₄NO₃溶液侵蚀过的样品的首次效率从63%提高到了85%,1C倍率下的放电比容量从149 mAh·g^-1提高到194 mAh·g^-1,同时保持了温和的中值电压变化曲线。通过高分辨透射电镜（HRTEM）,X射线光电子能谱（XPS）和电化学阻抗谱（EIS）对改性机理进行了研究。     

富锂正极材料Li[Li0.2Mn0.4Fe0.4]O2的表面包覆改性

用共沉淀法合成了富锂正极材料Li[Li0.2Mn0.4Fe0.4]O2,并对其表面进行Al2O3包覆。采用XRD、SEM和电化学测试等方法对样品进行表征。结果表明,与Li[Li0.2Mn0.4Fe0.4]O2相比,包覆改性后的Li[Li0.2Mn0.4Fe0.4]O2具有较好的电化学性能,其初始放电容量未明显降低,而循环寿命大大提高,4.0%Al2O3包覆处理的富锂正极材料经50次充放电循环后,容量衰减量在9%左右。     

富锂层状正极材料Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2的二次颗粒粒径对其倍率性能的影响

采用碳酸盐共沉淀的方法成功制备了不同二次颗粒粒径的富锂层状正极材料Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂。并运用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、激光粒度测试和电化学测试等手段对所得材料的结构、形貌、粒度分布及电化学性能进行表征。结果显示,不同二次颗粒粒径的Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂在材料结构上没有明显的差别,且首次放电比容量接近,均达到了281 mAh·g^-1。但是,二次颗粒粒径越小,富锂层状材料的表现出的倍率性能越优异,当二次颗粒的D₅₀为4.59 μm,其在3C倍率下的放电容量达到了199 mAh·g^-1。这是因为二次颗粒粒径越小,富锂层状材料可更好的与导电剂和电解液接触,且锂离子的扩散路径更短,从而表现出更好的倍率特性。     

富锂层状正极材料Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2的二次颗粒粒径对其倍率性能的影响

采用碳酸盐共沉淀的方法成功制备了不同二次颗粒粒径的富锂层状正极材料Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂。并运用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、激光粒度测试和电化学测试等手段对所得材料的结构、形貌、粒度分布及电化学性能进行表征。结果显示,不同二次颗粒粒径的Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂在材料结构上没有明显的差别,且首次放电比容量接近,均达到了281 mAh·g^-1。但是,二次颗粒粒径越小,富锂层状材料的表现出的倍率性能越优异,当二次颗粒的D₅₀为4.59μm,其在3C倍率下的放电容量达到了199 mAh·g^-1。这是因为二次颗粒粒径越小,富锂层状材料可更好的与导电剂和电解液接触,且锂离子的扩散路径更短,从而表现出更好的倍率特性。     

ZrO2包覆的层状富锂正极材料0.6Li[Li1/3Mn2/3]O2·0.4LiNi5/12Mn5/12Co1/6O2的电化学性能

采用喷雾干燥法合成了富锂层状氧化物正极材料0.6Li[Li_1/3Mn_2/3]O₂·0.4LiNi_5/12Mn_5/12Co_1/6O₂(简称LNMCO),并使用Zr (CH₃COO)₄进行ZrO₂的包覆改性。TEM测试结果显示纳米级的ZrO₂颗粒附着在LNMCO的表面。包覆质量分数为1.5%的ZrO₂包覆样品的首圈库伦效率和放电比容量有着显著提升,在室温下其首圈库伦效率和放电比容量(电流密度：20 mA·g^-1,电压：2.0~4.8 V)分别为87.2%,279.3 mAh·g^-1,而原样则为75.1%,224.1 mAh·g^-1,循环100圈之后,1.5% ZrO₂包覆样品的放电比容量为248.3 mAh·g^-1,容量保持率为88.9%,高于原样的195.9 mAh·g^-1和87.4%。     

锂离子电池正极材料Li1.2Mn0.54-xNi0.13Co0.13ZrxO2的制备及电化学性能

为了改善富锂锰基正极材料Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂ 的循环性能,采用燃烧法合成了正极材料Li_1.2Mn_0.54-xNi_0.13Co_0.13Zr_xO₂（x=0.00,0.01,0.02,0.03,0.06）. 通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）对其结构与形貌进行了表征,利用恒电流充放电测试,循环伏安（CV）及电化学交流阻抗谱（EIS）技术对其电化学性能进行测试. 结果表明,Li_1.2Mn_0.54-xNi_0.13Co_0.13Zr_xO₂（x=0.00,0.01,0.02,0.03,0.06）正极材料均具有α-NaFeO₂型层状结构;在室温,2.0-4.8 V电压范围,以0.1C和1.0C（充放电电流以1.0C=180 mA·g^-1计算）倍率充放电进行测试,样品Li_1.2Mn_0.52Ni_0.13Co_0.13Zr_0.02O₂的首次放电比容量分别为280.3 和206.4 mAh·g^-1. 其中,在1.0C倍率下,100次循环后容量保持率由原来的73.2%提高到88.9%;以5.0C倍率充放电进行测试,经50次循环后,掺杂正极材料的放电比容量为76.5 mAh·g^-1,而未掺杂材料仅有15.0 mAh·g^-1. 在50、25 和-10 ℃,2.0C倍率条件下,掺杂正极材料的电化学性能均得到有效改善,其中,在- 10℃ 经过50 次循环后正极材料Li_1.2Mn_0.52Ni_0.13Co_0.13Zr_0.02O₂比未掺杂的正极材料相比,其放电比容量提高了61.1%.     

Ag/C包覆对Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2电化学性能的影响

运用共沉淀和元素化学沉积相结合的方法,制备出了具有Ag/C 包覆层的层状富锂固溶体材料Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13]O₂. 通过X 射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、恒流充放电、循环伏安（CV）,电化学阻抗谱（EIS）和X 射线能量散射谱（EDS）方法,研究了Ag/C 包覆层对Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13]O₂电化学性能的影响. 结果表明,Ag/C 包覆层的厚度约为25 nm,Ag/C 包覆在保持了固溶体材料α-NaFeO₂ 六方层状晶体结构的前提下,显著地改善了Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13]O₂ 的电化学性能. 在2.0-4.8 V（vs Li/Li⁺）的电压范围内,首次放电（0.05C）容量由242.6 mAh·g^-1提高到272.4 mAh·g^-1,库仑效率由67.6%升高到77.4%;在0.2C倍率下,30 次循环后,Ag/C 包覆的电极材料容量为222.6 mAh·g^-1,比未包覆电极材料的容量高出14.45%;包覆后的电极材料在1C下的容量仍为0.05C下的81.3%. 循环伏安及电化学交流阻抗谱研究表明,Ag/C包覆层抑制了材料在充放电过程中氧的损失,有效降低了Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13]O₂颗粒的界面膜电阻与电化学反应电阻.     

富锂正极材料Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13NaxO2表面结构的电子显微分析

采用离子交换加固相烧结法制备出富锂锰基正极材料Li_1.2Mn_0.54Co_0.13Ni_0.13Na_xO₂,利用球差校正扫描透射电子显微镜（STEM）、X射线能谱（EDS）、电子能量损失谱（EELS）等分析手段对材料表面结构与成分展开表征。结果表明：镍（Ni）在样品表面存在选择性富集（垂直于锂扩散通道的表面,如（200）面）,倾向扩散进入锂离子层,并导致表面出现层状结构到岩盐相（rocksalt, Fm3m）结构转变;而钴（Co）在所观察的（001）、（200）表面均存在不同程度的富集,且集中在过渡金属层。进一步研究发现,表面钴（Co）富集不利于层状结构的稳定,时效后样品的（001）面观察到明显的表面重构,存在数量较多的过渡金属（TM）-锂（Li）反位缺陷与岩盐相结构区域。     

锂离子电池正极材料Li[Li0.2Ni0.2Mn0.6]O2的酸浸改性研究

为提高锂离子电池正极材料Li[Li0.2Ni0.2Mn0.6]O2的首次充放电效率,对固相法合成的该材料进行了酸浸的改性研究。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对所得样品的结构、形貌进行了表征。结果表明,Li[Li0.2Ni0.2Mn0.6]O2经过酸处理后,首次放电效率得到了较大的提高,但是放电中值电压明显下降。其中,0.5 mol.L-1的硝酸浸泡5 h的效果最佳,首次放电效率达到了86.7%,同时放电容量达到最大值的循环次数大大减少。酸浸改性的原因被归结于材料表面出现了富锂尖晶石结构Li4Mn5O12相。     

柠檬酸(铵)处理对Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2电化学性能影响的研究

以共沉淀法制备的[Mn0.54Ni0.13Co0.13]1.25CO3为前驱体,配锂焙烧获得了富锂锰基固溶体Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2,然后分别用柠檬酸、柠檬酸三铵对该材料进行表面预处理。结果表明经柠檬酸(铵)处理后,Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2中分别有16.37wt%和13.14wt%的锂被化学脱出。充放电测试结果表明,表面处理后的样品首次效率有了较大的提高(由63.5%分别提高到了80.2%和80.7%),0.2C循环40次容量保持率分别由91.43%提高到97.42%和92.72%,1C容量由处理前的149.5 mAh.g-1提高到179.5mAh.g-1和181.5 mAh.g-1,表明处理后材料的循环性能和倍率性能都得到了改善。这主要是由于柠檬酸(铵)处理,预先脱出了Li2MnO3组分中的部分Li2O,并在材料表面生成了类尖晶石结构的材料。     

溶胶凝胶法合成富锂正极材料Li[Li0.2Ni0.2Mn0.6]O2及性能表征

以LiOH.H2O、Mn(CH3COO)2.4H2O和Ni(CH3COO)2.4H2O为原料,分别用柠檬酸(CA)与乙二胺四乙酸(EDTA)为配位剂,采用溶胶凝胶法结合固相烧结法制备富锂固溶体正极材料Li[Li0.2Ni0.2Mn0.6]O2。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、激光粒度仪对所得样品的结构、形貌、粒径分布进行了表征,并测试了材料的电化学性能。采用CA配位制备的材料的电化学性能优于用EDTA配位制备的材料的电化学性能,室温下以18 mA.g-1的电流密度,在2.0~4.8 V电压范围内充放电,用CA制备的材料首次充电比容量高达324 mAh.g-1,首次库伦效率达82%;在180 mA.g-1的电流下,其可逆比容量保持在120 mAh.g-1。     

碳酸盐共沉淀法制备Li[Li0.2Co0.13Ni0.13Mn0.54]O2中加料方式对产物性能的影响

采用碳酸钠和碳酸氢铵作为沉淀剂和络合剂,在水溶液中共沉淀Mn2+、Ni2+和Co2+以获得混合过渡金属元素的碳酸盐沉淀前驱体Mn0.675Ni0.1625Co0.1625CO3。并进一步合成高容量锂离子电池正极材料Li[Li0.2Co0.13Ni0.13Mn0.54]O2。考察了3种不同加料方式对共沉淀前驱体的结构、形貌和元素比例的影响,以及对最终产物的结构、形貌和电化学性能的影响。     

Ag/C包覆对Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2电化学性能的影响

运用共沉淀和元素化学沉积相结合的方法,制备出了具有Ag/C包覆层的层状富锂固溶体材料Li [Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2.通过X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、恒流充放电、循环伏安(CV),电化学阻抗谱(EIS)和X射线能量散射谱(EDS)方法,研究了Ag/C包覆层对Li[Li0.2Mn0.54Ni03Co013]O2电化学性能的影响.结果表明,Ag/C包覆层的厚度约为25 nm,Ag/C包覆在保持了固溶体材料α-NaFeO2六方层状晶体结构的前提下,显著地改善了Li[Li0.0Mn054Ni0.13Co013]O2的电化学性能.在2.0-4.8 V (vs Li/Li+)的电压范围内,首次放电(0.05C)容量由242.6 mAh·g-1提高到272.4 mAh·g-1,库仑效率由67.6％升高到77.4％;在0.2C倍率下,30次循环后,Ag/C包覆的电极材料容量为222.6 mAh·g-1,比未包覆电极材料的容量高出14.45％;包覆后的电极材料在1C下的容量仍为0.05C下的81.3％.循环伏安及电化学交流阻抗谱研究表明,Ag/C包覆层抑制了材料在充放电过程中氧的损失,有效降低了Li[Li02Mn0.54Ni0.13Co013]O2颗粒的界面膜电阻与电化学反应电阻.     

球磨辅助高温固相法制备Li1.0Na0.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2正极材料及其性能

以乙酸盐(乙酸锂、乙酸钠、乙酸钴、乙酸镍、乙酸锰等)为原材料,采用球磨辅助高温固相法制备Li_(1.0)Na_(0.2)Ni_(0.13)Co_(0.13)Mn_(0.54)O_2正极材料。借助XRD、SEM等表征材料的结构和形貌,利用循环伏安、恒流充放电、交流阻抗等方法研究材料的电化学性能。结果表明,钠的掺杂导致颗粒表面光滑度降低,形成Na_(0.77)Mn O_(2.05)新相。0.05C活化过程中,掺钠样品和未掺钠样品首次放电比容量分别为258.4 m Ah·g~(-1)和215.8 m Ah·g~(-1),库伦效率分别为75.2%和72.8%;2C放电比容量分别为116.3 m Ah·g~(-1)和106.2 m Ah·g~(-1)。研究发现,掺钠可减小首次充放电过程的不可逆容量,提高容量保持率;改善倍率性能与容量恢复特性;降低SEI膜阻抗和电荷转移阻抗;掺钠后样品首次循环就可以基本完成Li_2Mn O_3组分向稳定结构的转化,而未掺杂的样品需要两次循环才能逐步完成该过程;XPS结果表明,掺钠样品中Ni~(2+)、Co~(3+)、Mn~(4+)所占比例明显提高,改善了样品的稳定性和电化学性能;循环200次后的XRD结果表明掺钠与未掺钠材料在脱嵌锂反应中的相变化过程基本一致,良好有序的层状结构遭到破坏是循环过程中容量衰减的主要原因。     

Ag/C包覆对Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2电化学性能的影响

运用共沉淀和元素化学沉积相结合的方法,制备出了具有Ag/C包覆层的层状富锂固溶体材料Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2.通过X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、恒流充放电、循环伏安(CV),电化学阻抗谱(EIS)和X射线能量散射谱(EDS)方法,研究了Ag/C包覆层对Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2电化学性能的影响.结果表明,Ag/C包覆层的厚度约为25 nm,Ag/C包覆在保持了固溶体材料α-NaFeO2六方层状晶体结构的前提下,显著地改善了Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2的电化学性能.在2.0-4.8 V(vs Li/Li+)的电压范围内,首次放电(0.05C)容量由242.6 mAh·g-1提高到272.4 mAh·g-1,库仑效率由67.6%升高到77.4%;在0.2C倍率下,30次循环后,Ag/C包覆的电极材料容量为222.6 mAh·g-1,比未包覆电极材料的容量高出14.45%;包覆后的电极材料在1C下的容量仍为0.05C下的81.3%.循环伏安及电化学交流阻抗谱研究表明,Ag/C包覆层抑制了材料在充放电过程中氧的损失,有效降低了Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2颗粒的界面膜电阻与电化学反应电阻.