锂电池高镍三元材料的研究进展分析

高镍三元材料具有能量密度高、成本低以及环境友好等优点,现阶段及将来预计的一段时间内是动力锂电池优先使用的正极材料。文中在分选高镍三元材料特性基础上对高镍三元材料制备方法、元素掺杂以及表面包覆等方面研究现状进行阐述,并从高镍三元材料电解液电压、安全性、材料压实密度以及循环充放电使用等方面进行展望,以期研究成果能在一定程度上提升高镍三元材料应用及发展。     

镍钴铝酸锂正极材料改性研究进展及展望

综述了锂离子电池镍钴铝三元正极材料LiNi_xCo_yAl_(1-x-y)O_2(NCA,x≥0.8)存在的不可逆容量大、循环性能差等问题及其性能优化改性技术的研究进展,从表面包覆和体相掺杂两个方面对近年来国内外NCA正极材料的电化学性能改善研究进行系统性总结,分析了各类包覆物以及掺杂元素的作用机理,并对NCA正极材料的未来研究方向进行了展望。     

镍钴铝酸锂正极材料改性研究进展及展望

综述了锂离子电池镍钴铝三元正极材料LiNi_xCo_yAl_(1-x-y)O_2(NCA,x≥0.8)存在的不可逆容量大、循环性能差等问题及其性能优化改性技术的研究进展,从表面包覆和体相掺杂两个方面对近年来国内外NCA正极材料的电化学性能改善研究进行系统性总结,分析了各类包覆物以及掺杂元素的作用机理,并对NCA正极材料的未来研究方向进行了展望。     

Li(Ni-Co-Al)O_2三元材料制备及其超级电容性能研究

三元正极材料Li(Ni-Co-Al)O2因其良好的电化学性能已经逐渐发展为替代其他传统三元正极材料的新型电极材料。本文以氨水做络合剂、氢氧化钠为沉淀剂,采用共沉淀-固相法制备Li(Ni-Co-Al)O2三元材料并用于超级电容器件研究,探究了Li(Ni-Co-Al)O2的制备条件和氧化铝包覆改性对材料超级电容性能的影响。通过X射线衍射、比表面积的表征研究制备条件对Li(Ni-CoAl)O2物化性质的影响,通过循环伏安、恒流充放电、循环倍率以及交流阻抗等电化学性能测试探究了材料的超级电容性能的影响。结果表明:采用共沉淀-固相法制备的三元Li(Ni-Co-Al)O2材料具有良好的比电容,且通过氧化铝包覆改性后材料的比电容和循环稳定性都得到了进一步的提升。     

高镍三元正极材料容量衰减机理及改性方法

高镍三元正极材料因高容量、高功率等优势已成为大型动力锂离子电池的首选正极材料。然而,高镍三元正极材料存在循环稳定性差、容量衰减快等缺点。最新研究指出阳离子混排、过渡金属元素析出、氧空位等是造成材料相变的直接原因,而界面膜、过充、微裂纹等能进一步加速材料的容量衰减;元素掺杂、表面包覆和材料复合等作为当下最主流的改性技术,能显著抑制材料的容量衰减。本文综述了高镍三元材料容量衰减机理以及改性研究的现状,同时对其今后的发展方向做出了展望。     

LiZr2(PO4)3包覆LiNi0.8Co0.15Al0.05O2的制备与改性研究

锂/镍阳离子混排、表面副反应等问题限制高镍系三元正极材料的发展和应用。表面包覆是一种有效改善电化学性能的一种方法,首先通过共沉淀技术合成Ni0.8Co0.15Al0.05(OH)2前驱体,然后在其表面成功包覆一层LiZr2(PO4)3,最后在氧气气氛下烧结得到最终产物。采用FESEM、XRD等手段分析样品物相成分和组成,发现包覆前后样品都具有典型的α-NaFeO2层状结构。对材料进行循环性能测试,在2.8～4.3 V电压窗口下0.2 C活化3次,然后0.5 C电流密度下循环,发现改性后样品的循环稳定性得到明显提升,0.5 C循环400圈后容量保持率由原来的46.88%提升到58.76%。     

五氧化二钒包覆高镍三元材料的电化学性能研究

本文采用水热法制备的五氧化二钒对高镍三元材料进行表面包覆,通过SEM测试和扣电测试可知包覆后的高镍三元材料一次颗粒更大,晶界明显,提高其结构的稳定性,同时提高电导率和锂离子扩散系数,特别是倍率性能得到了有效的改善。     

碳包覆氧化锌材料在锌镍二次电池中的应用研究

为了提高锌镍二次电池的电化学性能,将高能球磨法制备的碳包覆氧化锌(ZnO/C)材料作为负极活性物质,与纯氧化锌比,碳包覆氧化锌作为负极活性物质的电池,具有更低的充电平台电压以及更高的放电平台电压,并能有效减小电极的欧姆电阻与反应电阻,显著提高了锌镍电池的循环性能。因此,碳包覆后的氧化锌负极材料能够有效的提高锌镍二次电池的电化学性能。     

高镍三元正极材料镍钴铝的掺杂改性研究进展

高镍三元正极材料镍钴铝（NCA）因具有较高的能量密度及工作电压、成本低、环境友好等优点极有可能成为下一代广泛应用的锂离子电池正极材料之一。然而镍含量的提高导致材料结构不稳定、循环性能和倍率性能降低,限制了其进一步发展。主要从锂位、过渡金属位、氧位掺杂及复合共掺杂4个方面综述了不同位置离子掺杂的改性机理。大量研究结果表明,通过复合共掺杂方式进行改性,能够结合单离子掺杂的优点有效提升镍钴铝正极材料的电化学性能。     

浓度梯度型锂离子电池富镍氧化物正极材料

富镍氧化物正极材料因其具有高比容量、低成本、环保和无需高电压电解质的优点而备受关注。虽然Ni含量的增加有助于提高放电比容量,但也产生了阳离子混排、表界面反应和导致结构不稳定的裂纹扩展等缺点,导致富镍正极材料的循环寿命较差、热稳定性有待提升和储存性能较差,妨碍了其商业化应用。为尽可能地发挥富镍锂离子电池高容量的优势,研究人员对材料进行了多种改性,历经了离子掺杂、表面包覆、单晶材料、核壳结构、浓度梯度结构等发展阶段。本文首先对掺杂、包覆、单晶、核壳结构等几种改性手段进行了简要概述,分析了这几种方法的优势及本身固有的缺点。然后重点对浓度梯度材料进行了分析,根据其发展阶段分为富镍核加浓度梯度壳、线性浓度梯度材料、渐进式浓度梯度材料三个部分,从合成方法、改性机理及电化学性能等方面做了详细介绍。综合来看,浓度梯度材料可以从根本上解决富镍正极材料的固有缺点,相信这一技术会在富镍正极材料的实用化进程中发挥重要作用。     

锂离子电池正极材料超声强化水洗过程研究

针对高镍三元锂离子电池正极材料的降碱处理方式主要局限于去离子水洗涤且清洗效果不佳的问题，提出了一种超声强化水洗处理高镍三元锂离子电池正极材料的新方法。以LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂（NCA）为研究对象，去离子水为溶剂，通过正交试验探讨了超声强化水洗对高镍三元锂离子电池正极材料进行降碱处理的影响因素，并就单一固含量因素影响与简单去离子水洗涤进行对比。采用pH测定、粒度分析、SEM、电化学性能测试等手段进行分析，研究了固含量、搅拌时间、超声时间、超声频率、超声功率等对高镍三元锂离子电池正极材料降碱效果的影响。研究结果表明：在固含量10%、搅拌时间更均匀的情况下，颗粒表面形貌无明显影响，材料电化学性能提高。实际工业生产过程中水洗的固含量为40%更为合适。     

硼酸喷雾包覆改性镍钴铝酸锂的制备及其电化学性能研究

针对镍钴铝酸锂（NCA）三元正极材料普遍存在的循环寿命差、浆料容易凝胶等缺点进行了硼酸喷雾包覆的改性。采用X 射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）及电化学测试等方法对硼酸包覆改性前后的材料性能进行了对比表征和分析。结果表明：喷雾包覆后可以在NCA正极材料表面形成一层保护层,改性后的NCA三元正极材料循环寿命有明显提升,特别是高温（45 ℃）1C/1C倍率下循环50次容量保持率由改性前的88.0%提升至改性后的95.2%,提升近7%;硼酸包覆可以改善NCA表面特性,使正极浆料稳定性大大提高。改性后的NCA正极浆料可以稳定放置168 h（7 d）,解决了NCA正极材料容易凝胶的问题。     

Effects of Al2O3 and LiAlO2 Co-coating on electrochemical properties of LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 cathode materials

Lithium-ion batteries are widely used in aerospace, power vehicles, portable electronic devices and other fields because of their environmental friendliness, rechargeable cycle and high energy density. The nickel-cobalt-manganese ternary materials with high nickel has high specific discharge capacity and is regarded as one of the most promising cathode materials. However, with the increase of the number of cycles, the cycle performance becomes worse and the specific capacity decays sharply. In this work, Al₂O₃ and LiAlO₂ were coated on the surface of NCM811 by combining ball milling mixing and solid-phase synthesis to prepare the AL-NCM811 cathode material. The coating thickness formed by Al₂O₃ and LiAlO₂ was 10–70 nm, which effectively improves the cycle stability and rate performance of NCM811 material. When charged and discharged at 0.1C, the first discharge specific capacity and capacity retention rate after 100 cycles of 0.5AL-NCM811 were 196.26 mAh/g and 96.47%, respectively, while those of NCM811 were only 193.78 mAh/g and 72.18%, respectively. When the current density was 5.0C, the discharge specific capacity of 0.5AL-NCM811(139.16 mAh/g) was 55.368 mAh/g higher than that of NCM811(83.80 mAh/g).     

硼酸锂包覆改性尖晶石锰酸锂的研究

尖晶石型锰酸锂由于具有优异的安全性能且成本低廉,成为锂离子电池正极材料的研究热点。然而,由于锰溶解所导致的循环性能衰退是锰酸锂发展的主要障碍。随着温度的升高,锰溶解加剧,因而电池在高温条件下衰退更加严重。将硼酸锂包覆于锰酸锂表面,可以抑制锰的溶解。通过高能球磨的方法可将硼酸锂均匀地包覆于锰酸锂表面。X射线衍射与电化学阻抗表征结果表明,硼酸锂不会引起锰酸锂结构的变化和电池阻抗的增加。通过对界面转移电阻的研究发现,硼酸锂包覆量超过2%（质量分数）时电池的极化会增加,因此将硼酸锂的最佳包覆量控制在2%。相比于未经包覆的锰酸锂,经包覆的锰酸锂不论是对锂半电池还是对石墨全电池均表现出优异的循环性能,尤其是在60 ℃下的循环性能大大改善。软包全电池体积能量密度达到308 W·h/L,1C循环200次后容量保持率可达到94.7%。通过硼酸锂包覆可有效抑制锰酸锂的锰溶解,改善其循环性能。     

中间相炭微球在锂离子电池负极材料的应用进展

中间相炭微球(MCMB)具有良好锂离子扩散性、导电性和机械稳定性等优势,是目前应用广泛、综合性能优异的锂离子电池负极材料,但较低理论比容量是制约其发展的关键因素。为了获得性能优良的MCMB基锂离子电池负极材料,改性修饰和复合材料已然成为目前研发重点。笔者论述了碳结构、表界面和复合材料等微观结构设计对MCMB负极材料电化学性能的影响。从碳堆积结构类型、有序性、层间距以及球体粒径大小等方面,论述了碳结构微观设计对MCMB电化学性能的影响。发现具有乱层结构的MCMB在充放电过程中内部产生应力较小,且碳结构较稳定,具有优异循环稳定性;内部具有大量微孔或碳层间距较大的MCMB,在充放电过程中可提高锂离子在电极中的迁移速率,并提供更多的储锂空间,一般具有优良的充放电比容量和倍率性能;小粒径MCMB具有较短的锂离子迁移路径和随之增加的比表面积,通常具有较好倍率性能,伴随着可逆比容量和充放电效率的衰减。从表界面碳层改性、包覆和掺杂改性等方面,论述了表界面改性对MCMB电化学性能的影响。表面碳层修饰可增加MCMB与电解液的相容性及其比表面积,提高了与电解液的接触面积及贮锂容量,改善了锂离子电池负极材料的电化学性能;另外,MCMB表面包覆一层无定型碳,可避免其表面与电解液直接接触,减少电化学副反应的产生,提升其可逆比容量。从碳活性物质复合材料、非碳活性物质复合材料等方面,论述了复合材料微观结构设计对MCMB电化学性能的影响。碳活性物质可降低MCMB内部碳层结构的有序性,减少锂离子嵌入过程中的内部应力,提升MCMB循环稳定性。非碳活性物质诱导MCMB生成更加有序的碳层结构,提高MCMB的比表面积,从而改善MCMB表面与电解液分子的接触能力及其嵌锂性能,有利于提升MCMB负极材料可逆比容量、循环性能和倍率性能。MCMB具有高碳层间距和多缺陷位点等结构特征,有利于钠离子自由脱嵌,应用于钠离子电池时具有良好的可逆比容量、循环稳定性和倍率性能。MCMB的不规则定向层状结构经活化等处理具有较高比表面积,可应用于超级电容器电极材料。最后提出在高性能锂离子电池电极材料快速发展的需求下,从微观结构角度设计MCMB纳米复合材料将是MCMB负极材料的研究重点。     

锂离子电池锡钴和锡钴碳负极材料的研究进展

综述了锂离子电池锡钴二元合金和锡钴碳三元复合材料的结构、电化学性能,反应机理及制备方法.改善锡基材料的循环性能主要有3个途径:元素多元化,减小颗粒粒度,无定形化.仅靠上述单一途径很难达到产业化对循环性能的要求,因此多种途径联合运用成为解决循环性能的研究趋势.     

非晶相氢氧化镍电极材料的研究进展

非晶态材料原子排列无序性强、结构缺陷多,内部含有大量配位不饱和原子和表面活性中心,是理想的高性能电极材料.本文综述了非晶相氢氧化镍电极材料的制备方法,描述了非晶相氢氧化镍作为电极活性材料的电化学特性.提出了非晶相氢氧化镍进一步的研究方向.     

ZnMn2O4/Mn2O3/CNT复合正极材料的制备及其在水系锌离子电池的应用

锰基化合物具备高容量、高能量密度和高工作电压等特性，是水系锌离子电池（AZIBs）商业应用过程中的首选正极材料。然而，材料存在的电导率低、锰溶解、静电斥力效应和结构稳定性差等缺点，严重阻碍其大规模应用。采用表面活性剂辅助溶剂热法成功合成了碳纳米管（CNT）包覆ZnMn2O4/Mn2O3（ZMO/MO）复合材料，并探究了CNT包覆量对材料电化学性能和动力学过程的影响。采用X射线衍射和扫描电子显微镜对材料的结构和形貌进行表征。与纯相ZMO/MO相比，经CNT包覆的正极在0.1 A g-1电流密度下具有良好的循环稳定性和更高的倍率性能。并用循环伏安曲线和电化学阻抗探究了电极的动力学特性，两相复合提高了Zn2 扩散速率，CNT的包覆改善了材料的电荷传递。