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。     

三维网状结构Ru/石墨烯/碳纳米管复合材料作为锂氧电池正极催化剂的性能

利用物理浸渍和冷冻干燥等方法制备了具有三维网状结构的Ru/石墨烯/碳纳米管复合材料, 对该材料的结构、 形貌及电化学性能进行了表征和研究. 结果表明, 当Ru含量为30%, 热处理温度为500 ℃时, 材料的催化性能最优. 将其用作锂氧电池的正极催化剂, 以50 mA/g电流密度进行首次充放电时, 放电比容量约为5800 mA·h/g, 且在放电比容量为4000 mA·h/g以内时, 其极化电压仅为0.9 V; 当以50 mA/g电流密度进行恒容(500 mA·h/g)充放电循环时, 在极化电压低于1.1 V时, 仍能稳定循环12周. 复合材料电催化机理的研究结果表明, 三维网状结构不仅提供了O₂和Li⁺的传输通道, 更增加了放电产物Li₂O₂的储存场所. 金属钌纳米粒子的负载既增加了复合材料的反应活性位点, 又促进了放电产物Li₂O₂的分解.     

聚(3-己基噻吩)包覆富锂层状正极材料Li1.18Ni0.15Co0.15Mn0.52O2的制备与电化学性能

采用溶胶-凝胶法合成了Li_1.18Ni_0.15Co_0.15Mn_0.52O₂富锂层状正极材料, 并使用聚(3-己基噻吩)对其进行了表面包覆. 采用多种光谱学和电化学手段对材料的形貌结构和电化学性能进行了分析. 结果表明, 聚(3-己基噻吩)溶液浸泡后在富锂材料表面形成厚约1.5 nm的均匀包覆层. 表面包覆后富锂层状正极材料的极化和阻抗明显减小. 在0.2C倍率下, 经过100次充放电循环后, 未包覆的富锂材料放电比容量衰减为170 mA·h/g, 而经过0.3%聚(3-己基噻吩)包覆的材料的放电比容量则保持在205 mA·h/g, 容量保持率由68%提高到82%; 10C倍率下的放电比容量由72 mA·h/g提高到116 mA·h/g.     

微纳复合结构MFe2O4负极材料的可控合成与性能

采用新溶剂热体系一步合成MFe₂O₄(M=Zn/Co)负极材料. 通过调控反应时间可分别制备出由一次纳米颗粒组装成的亚微米级空心和实心球形结构复合材料. 与实心球形微纳复合材料相比, 空心球形微纳复合材料具有结晶度高、 颗粒粒径大、 放电比容量高、 循环性能好及电化学阻抗低等优点. 空心球形ZnFe₂O₄和CoFe₂O₄样品充放电循环50周后分别保持655和1180 mA·h/g的比容量, 远高于实心球形ZnFe₂O₄和CoFe₂O₄材料的305和524 mA·h/g, 说明微纳复合铁酸盐材料的结构和组装形式对其电性能有较大影响.     

二维纳米片组成的花状铁醇盐及其微纳结构三氧化二铁衍生物的储锂性能

Fe₂O₃作为锂电池负极材料具有诸多优点,但其较低的本征电导率和充放电循环过程中材料粉化使得其电化学储锂性能有待改善。 本文以具有花状微纳结构的铁醇盐为反应中间体,在空气气氛下烧结制备出具有花状微纳结构的铁基负极材料Fe₂O₃。 纳米花状的铁醇盐可以在低烧结温度下转化为目标产物,从而使得产物能够保持中间体的形貌。 300 ℃热处理条件下,所得样品在电流密度为200 mA/g时首次放电比容量为1360 mA·h/g,循环100次后的容量仍然达到515.6 mA·h/g;相比之下,450和800 ℃热处理所得样品100次循环后,比容量分别为247.6和206.7 mA·h/g。 微纳结构在增加材料的活性的同时,也能够抑制材料的粉化现象,因而所制得的材料表现出较大的比容量和良好的循环性能,为解决Fe₂O₃负极材料循环性能差的问题提供了思路。     

TiO2/CNTs复合材料涂覆隔膜的制备及在锂硫电池中的应用

以金属有机框架材料MIL-125(Ti)为模板制备了多孔TiO₂, 同时引入碳纳米管, 得到碳纳米管交联包覆多孔TiO₂的三维导电复合材料. 将该复合材料涂覆在隔膜表面并应用于锂硫电池. 利用透射电子显微镜(TEM)、 扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)等对材料的结构和组成进行了表征. 电化学测试结果表明,在0.5C(1C=1675 mA/g)倍率下, CNTs/S复合正极材料表现出高达1051.1 mA·h/g的放电容量, 循环150周后仍可保持在904.8 mA·h/g. 在1C倍率下, 放电容量最高可达1036.9 mA·h/g, 循环250周后仍有763.0 mA·h/g, 展现出了良好的倍率性能和循环稳定性.     

吡咯-(3,4-乙烯二氧噻吩)共聚物有序纳米阵列薄膜的制备及表征

采用阳极氧化铝(AAO)模板电化学沉积方法, 合成了1种新型吡咯-(3,4-乙烯二氧噻吩)(PE)共聚物纳米线阵列薄膜, 作为锂离子电池电极材料, 其表现出较高的比容量(1426.1 mA·h/g, 充放电电流密度为100 mA/g)和很好的循环稳定性(在充放电循环300圈之后, 比容量仍然保持在1400 mA·h/g以上). 这种多组分共聚物纳米线阵列有可能成为下一代长寿命、 高性能的锂离子电池电极材料而被广泛开发.     

MoO2/C共包覆Si/石墨复合锂离子电池负极材料的研究

采用溶胶-凝胶法, 用二氧化钼(MoO₂)和C共同包覆Si/石墨粒子制备了Si/石墨/MoO₂/C锂离子电池负极材料. 利用X射线衍射(XRD)、 扫描电子显微镜(SEM)、 透射电子显微镜(TEM)、 循环伏安(CV)和电化学阻抗(EIS)等分析了材料的形貌和性质. 结果表明, MoO₂/C的共包覆在缓解材料体积膨胀的同时提高了材料的电子和离子电导率, 进而提高了材料的电化学性能. 复合材料的首次充电比容量为2494 mA·h/g, 首次库仑效率为72%, 经过100次循环后比容量为636.6 mA·h/g.     

铁酸铜负极材料的微波合成和电化学性能

以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板,硝酸铁和硝酸铜为起始物,采用一步微波法,再经过简单的热处理制备了CuFe₂O₄负极材料,采用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、傅里叶红外光谱(FT-IR)等测试技术表征材料的结构和形貌。 电化学测试表明,在100 mA/g电流密度,0.01~3.0 V电压条件下,材料的首周嵌脱锂比容量分别为1202.2和873.2 mA·h/g,循环50周后,嵌锂比容量仍保持在近650 mA·h/g,显示出优异的电化学性能。     

二维层状氮化二钙作为钠离子电池负极材料

以Ca₃N₂为前驱体,用高温热解法制备了2D层状结构Ca₂N 并用X射线和扫描电镜对Ca₂N的组成、结构和形貌进行了表征。 作为钠离子电池新型负极材料,在50 mA/g电流密度充放电,首次放电比容量可达584 mA·h/g,可逆比容量达180 mA·h/g。在2000 mA/g大电流密度下,仍有70 mA·h/g。     

Synthesis of LiMn2O4 Nano-wires via Flux Method and Their Usage as Cathode Material for Lithium Ion Batteries

LiMn₂O₄ nano-wires with ideal size distribution were readily synthesized by flux method. Samples prepared conventionally were used as the comparison references to investigate the effect of flux. The structural, morphological and electrochemical properties of nano-sized materials were examined by powder X-ray diffraction(XRD) analysis, scanning electron microscopy(SEM) and charge-discharge cycling analysis. Results from galvanostatic charge-discharge analysis show that the samples prepared at 700℃ via flux method(FM-700) afford the highest initial discharge capacity of 125.5 mA·h/g between 3.0 to 4.3 V at a rate of 0.2 C. After 50 cycles, a cycling retention of 89.6% is evident. Overall, the LiMn₂O₄ nano-wires developed in this work seem to be promising cathode materials for lithium ion batteries suitable to different energy-saving settings.     

微纳结构富锂锰基层状正极材料的形貌调控与储锂性能

以金属醋酸盐为原料, 尿素为沉淀剂, 采用水热法辅助高温煅烧制备了三维微纳结构富锂锰基层状材料Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂. 通过调整反应溶剂实现了镍钴锰碳酸盐前驱体向球状和纺锤体状的导向性生长. 其中纺锤体状富锂材料在0.1C倍率下首次放电容量接近300 mA·h/g, 在5C大倍率下放电容量能够达到92 mA·h/g, 在0.5C倍率下循环70周容量保留率能够达到85%.     

Na掺杂Li2-xNaxMnSiO4/C正极材料的微波辅助合成与电化学性能

采用溶胶-凝胶法并辅以微波热处理合成了Na掺杂改性的Li_2-xNa_xMnSiO₄/C(x=0, 0.05, 0.09, 0.13)复合正极材料. 利用X射线衍射(XRD)、 扫描电子显微镜(SEM)、 恒电流充放电测试、 循环伏安(CV)和交流阻抗(EIS)测试等对材料进行了表征. 结果表明, 经微波辐射后得到的电极材料具有Pmn2₁型空间结构, 其碳层分布均匀, 粒径细小均匀, 约为15~30 nm. 在微波辅助原位碳包覆和Na掺杂共同作用下, 复合材料的电荷转移电阻明显降低, Li⁺扩散速率增大, 展现出优良的电化学性能. 在0.1C倍率下Li_1.91Na_0.09MnSiO₄/C样品首次放电比容量为211 mA∙h/g, 50次循环后仍保持80 mA∙h/g的可逆容量; 0.5C和2.0C倍率下的放电比容量分别为106和53 mA∙h/g, 大电流下的可逆容量明显提高.     

β-MnO2和α-Mn2O3纳米棒的自牺牲模板法制备、 表征和应用

在150 ℃下, 仅以高锰酸钾溶液和无水乙醇为原料, 通过水热反应合成前驱体γ-MnOOH纳米棒. 以γ-MnOOH纳米棒为自牺牲模板, 分别在350和600 ℃下煅烧90 min, 制备出高纯度的β-MnO₂和α-Mn₂O₃纳米棒. 采用X射线粉末衍射(XRD)、 扫描电子显微镜(SEM)及热重分析(TGA)等对所制备的样品进行表征. 结果表明, 前驱物γ-MnOOH为高纯度的纳米棒状晶体, 直径约100~300 nm, 长度可达数微米, 且终产物β-MnO₂和α-Mn₂O₃均具有较高的纯度, 也很好地保持了前驱物的纳米棒状结构. 以二者为锰源, 通过固相反应合成出尖晶石LiMn₂O₄正极材料. 当充放电倍率为0.5 C时, 其首次放电比容量分别可达到120.4和123.9 mA·h/g, 而且表现出良好的循环性能和倍率性能.     

二价与四价金属离子等摩尔共掺杂的锂离子电池正极材料LiMn_(1.9)Mg_(0.05)Ti_(0.05)O_4的制备与表征

以氢氧化锂、乙酸锰、硝酸镁和钛酸丁酯为原料,以柠檬酸为螯合剂,采用溶胶-凝胶法制备了二价镁离子与四价钛离子等摩尔共掺杂的尖晶石型锂离子电池正极材料Li Mn1.9Mg0.05Ti0.05O4.采用热重分析(TGA),X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM)和电化学性能测试(包括循环伏安(CV)和电化学交流阻抗谱(EIS)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:780°C下煅烧12 h得到了颗粒均匀细小的尖晶石型结构的Li Mn1.9Mg0.05Ti0.05O4材料,该材料具有良好的电化学性能,在室温下以0.5C倍率充放电,在4.35-3.30 V电位范围内放电比容量达到126.8 m Ah·g-1,循环50次后放电比容量仍为118.5m Ah·g-1,容量保持率为93.5%.在55°C高温下循环30次后的放电比容量为111.9 m Ah·g-1,容量保持率达到91.9%,远远高于未掺杂的Li Mn2O4的容量保存率.二价镁离子与四价钛离子等摩尔共掺杂Li Mn2O4,改善了尖晶石锰酸锂的电子导电和离子导电性能,使其倍率性能和高温性能都得到了明显的提高.