镍钴锰酸锂正极材料的结构及电化学特征

锂离子电池具有能量密度大、循环性能好、电压平台高等优点,是当前国内外动力电池领域的研究热点。而正极材料是锂离子电池性能提高的关键所在,其中镍系正极材料是一种极具希望的下一代锂离子正极材料,相对于传统的LiCoO_2正极材料,其具有比容量高、价格低,原料来源丰富等优点。本文介绍了镍钴锰酸锂正极材料的结构及电化学特征,并对其发展前景进行了展望。     

锂硫电池中的表面修饰

锂硫电池理论能量密度高(2 600 W·h/kg)、硫原料丰富、成本低,是最有发展前景的锂二次电池技术之一。然而硫以及放电产物硫化锂电导率低,电化学反应过程中生成的可溶性多硫化物的"穿梭效应"以及电池充放电过程中电极的体积效应等,影响了锂硫电池性能的发挥,阻碍了锂硫电池实用化进程。近年来,通过电极材料的设计、电极表界面的修饰以及电解液体系优化,锂硫电池的性能得到显著提升。综述了近年来锂硫电池中硫正极、隔膜和金属Li表界面修饰方面的研究进展。     

锂离子电池正极材料技术研究进展

对锂离子电池正极材料的研究进展进行了概括和评述。对钴酸锂、锰酸锂、三元材料、磷酸铁锂等已商品化材料的技术特点进行了分析。指出已商品化材料的技术改进方向。对新型材料5 V高电压尖晶石锰酸锂、富锂层状氧化物材料{xLi2MnO3·（1-x）Li［Mn1/3Ni1/3Co1/3］O2}的发展前景进行了展望。     

界面化学对镍锰酸锂正极材料电化学性能影响的研究现状及分析

尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄正极材料因理论比容量和理论比能量高、工作电压高、资源丰富且价格低廉等优点而备受关注,但该材料因为高电压下电解液的分解及界面副反应导致循环性能和倍率性能不佳,制约着材料的推广应用。结合近几年的研究报道,介绍了LiNi_0.5Mn_1.5O₄正极材料的结构及脱嵌机制、表/界面化学、改性方法,着重介绍了LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料的表面性质及不同组分之间的界面反应机制及对正极材料电化学性能的影响,指出LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料的晶面取向、颗粒形貌、表面元素分布、包覆及离子掺杂是改善镍锰酸锂材料电化学性能的有效途径。同时,通过溶剂替代、成膜添加剂的添加、改变锂盐的种类及浓度等方式,开发与之匹配的耐高压电解液也是提升镍锰酸锂电池性能的重要方法。最后,对LiNi_0.5Mn_1.5O₄正极材料表面改性和电解液界面构筑方面进行了总结和展望,旨在为提升该材料性能的相关研究提供参考。     

锂电正极材料的生命周期评价

在生命周期评价的基础上,本文通过对锂电正极材料五个阶段对环境的影响进行评估,提出了锂电正极材料LCA计算方法,并用该方法分析比较了磷酸铁锂和锰酸锂两种正极材料对环境的影响。结果表明:锰酸锂相对于磷酸铁锂具有更大的环境效益。该结果为市场以及锂电正极材料生产厂商选择动力电池用正极材料提供一定的参考。     

锂-空气电池的高性能空气电极的性能研究

锂-空气电池是比能量最高的二次电池,已成为当今化学电源领域的研究热点。在锂-空气电池的各个组件中,空气电极的设计和制备是进一步提高锂-空气电池性能的关键。以简单的合成方法制备了一种具有高催化活性的镍酸镧（LaNiO₃）催化剂,利用Super P作为催化剂载体制备了一种新型空气电极。实验结果表明,含有LaNiO₃催化剂的锂-空气电池具有良好的充放电性能,放电电压平台为2.59 V,放电容量达到1 109 mAh·g^-1。比较了2种碳材料（Super P和GNS）作为催化剂载体的空气电极对电池充放电性能的影响,发现多孔性的空气电极结构更有利于电池性能的提高。此外,还分析了控制电解液（1 mol·L^-1 LiTFSI/TEGDME）中水含量的必要性。由Super P、LaNiO₃及水含量小于1×10^-5的电解液（1 mol·L^-1 LiTFSI/TEGDME）组装成的锂-空气电池具有良好的循环性能,循环第五圈的容量保持率为96.21%,且不出现电压平台的明显变化。     

多孔微米镍锰酸锂正极材料的制备及性能研究

镍锰酸锂正极材料的单体电压可以达到4.7 V,如今电子时代到临之际,其凭借高电压这一优势,可以在大型耗电设备或是动力电源的领域占据相当一部分的市场。采用共沉淀法与溶胶-凝胶法,对两种方法制备的镍锰酸锂材料的性能进行对比,共沉淀法制得的镍锰酸锂材料的性能更为优越一些。合成材料条件的控制主要是在烧结条件的控制上,对不同烧结温度等进行了对比。综合以上的对比,可以获得制备多孔微米镍锰酸锂材料的适宜方法。     

用于锂离子电池高压LNMO正极的瓜尔胶-木聚糖粘结剂

具有尖晶石结构的镍锰酸锂(LNMO)被认为是最有前景的正极材料之一,然而高工作电压会严重影响LNMO正极的循环寿命,导致在充放电过程中容量快速衰减、循环性能较差。针对锂离子电池无钴正极材料镍锰酸锂(LNMO)在高电压下的界面不稳定的缺点,开发了适用于5.0 V高压LNMO正极的木聚糖-瓜尔胶复合粘结剂。研究结果表明,瓜尔胶与木聚糖通过交联形成酯基,使粘结剂具备良好的机械性能;与PVDF粘结剂相比,使用复合粘结剂的LNMO的循环稳定性得到了显著提高,是具有应用前景的锂离子电池高压正极粘结剂。     

锂离子电池正极材料镍酸锂研究进展

镍酸锂具有比容量高、污染小、价格适中、与电解液匹配好等优点，被认为是一种较有发展前景的锂离子电池正极材料。但它合成困难，循环稳定性差。近几年来一些研究人员从合成方法、掺杂改性等方面对镍酸锂做了大量的研究工作。介绍了作为锂离子电池正极材料的镍酸锂的结构特征、电化学性能及现阶段存在的问题；综述了近几年来国内外的电化学研究者对锂离子电池正极材料镍酸锂的合成及稀土掺杂方面的研究进展和稀土掺杂对镍酸锂的结构和电化学性能的影响；并对镍酸锂未来的发展方向做了展望。     

锂离子电池正极材料的研究进展

锂离子电池因其能量密度大、比容量高、使用寿命长等优点,已成为广泛应用的储电设备。随着新能源汽车市场的强劲发展,要求作为动力电池的锂离子电池性能进一步提升,而正极材料是锂离子电池最为重要的组成部分,开发研究性能更好、比容量更高的正极材料是进一步提高锂离子电池能量密度的关键,目前,研究的锂离子电池正极材料主要有锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物及锂铁化合物等。本文对主要的锂离子正极材料研究应用现状进行了探讨分析,对其发展趋势进行了预测,可为锂离子电池的深入研究提供一定的参考借鉴。     

Facile synthesis of spinel LiNi0.5Mn1.5O4 as 5.0 V-class high-voltage cathode materials for Li-ion batteries

LiNi_0.5Mn_1.5O₄ and LiMn₂O₄ with novel spinel morphology were synthesized by a hydrothermal and post-calcination process. The synthesized LiMn₂O₄ particles (5-10 μm) are uniform hexahedron, while the LiNi_0.5Mn_1.5O₄ has spindle-like morphology with the long axis 10-15 μm, short axis 5-8 μm. Both LiMn₂O₄ and LiNi_0.5Mn_1.5O₄ show high capacity when used as cathode materials for Li-ion batteries. In the voltage range of 2.5-5.5 V at room temperature, the LiNi_0.5Mn_1.5O₄ has a high discharge capacity of 135.04 mA·h·g^-1 at 20 mA·g^-1, which is close to 147 mA·h·g^-1 (theoretical capacity of LiNi_0.5Mn_1.5O₄). The discharge capacity of LiMn₂O₄ is 131.08 mA·h·g^-1 at 20 mA·g^-1. Moreover, the LiNi_0.5Mn_1.5O₄ shows a higher capacity retention (76%) compared to that of LiMn₂O₄ (61%) after 50 cycles. The morphology and structure of LiMn₂O₄ and LiNi_0.5Mn_1.5O₄ are well kept even after cycling as demonstrated by SEM and XRD on cycled LiMn₂O₄ and LiNi_0.5Mn_1.5O₄ electrodes.     

离子液体作为电解液添加剂用于高压锂离子电池

合成了功能化离子液体1-丁基-3-甲基咪唑双（三氟甲磺酰）亚胺盐（BMIMTFSI）作为高压锂离子电池电解液添加剂,用于抑制有机溶剂的氧化,以提高碳酸酯类电解液的耐高压性。分别采用充放电测试、电化学交流阻抗（EIS）、循环伏安法（CV）和扫描电子显微镜（SEM）等研究了LiNi_0.5Mn_1.5O₄/Li电池的电化学行为和LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料表面形貌。结果表明,当在电解液中添加20% （体积分数）BMIMTFSI时,LiNi_0.5Mn_1.5O₄/Li电池在室温、0.2C下的最高放电比容量是126.81 mA·h·g^-1,5C下的放电比容量为109.36 mA·h·g^-1,比在1 mol·L^-1 LiPF₆-EC/DMC电解液中的放电比容量提高了91.7%;且该电池在0.2C下循环50圈后的放电比容量保持率在95%左右,比用碳酸酯类电解液提高了近10%。SEM结果表明,在碳酸酯类电解液中加入BMIMTFSI后,LiNi_0.5Mn_1.5O₄电极表面附着了一层均匀且致密的固态电解质界面（SEI）膜。     

富镍锂离子电池三元材料NCM的研究进展

锂离子电池作为新能源电池符合时代要求，具有良好的应用前景。电池容量、倍率性能与循环性能是电池性能的重要评价指标，在选取高能量密度电极材料的同时要充分考虑电池结构稳定性及其安全性能，三元材料基于这种思路进行设计。目前，针对电池中锂离子导通率与结构不可逆坍塌问题，通过包覆涂层、离子掺杂等手段改善锂离子电池性能已经常态化，实际需求要求有更有效的改性方法。因此，本文综述了富镍锂离子电池三元材料LiNi_0.4Co_0.2Mn_0.4O₂（NCM424）、LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂(NCM523)、LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂(NCM622)和LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂(NCM811)的研究现状与发展导向，认为简单的单一材料改性已遇到瓶颈，改性方法复合、设计材料多元结构是提升电池性能的一大发展方向；从改性材料的合成和运行路径入手，研究分子水平上的作用机制，建立统一理论模型，通过计算模拟手段设计电极结构，实现锂离子电池突破性的发展。     

尖晶石型三元高电压正极材料的合成及其性能

LiNi_0.5Mn_1.5O₄（LNMO）是一种有前景的下一代高能密度锂离子电池正极材料,但其中的锰离子溶解严重、容量衰减严重,阻碍了其应用。本工作通过水热-煅烧合成了LiNi_0.4Co_0.1Mn_1.5O₄（LNCMO）三元尖晶石型高电压复合材料,探究了煅烧温度和升温速率等制备条件对样品形貌和结构的影响。本文合成的LNCMO样品微观形貌呈类菱形结构,物相纯净,比表面积为3.72m²/g,平均孔径为11.60nm,放电电压接近4.75V,在20mA/g下初始放电比容量达143.90mAh/g,和LNCMO的理论比容量（146.71mAh/g）的比值达98%。根据XRD和XPS等表征分析可知,复合材料中的Mn⁴⁺比例较大,Mn³⁺较少,且合适的煅烧温度和升温速率避免了Li _x Ni_1-x O杂质相的生成,因此本文制备的材料相比LNMO材料结构稳定性增强,电荷转移阻力低,电性能尤其是比容量大幅提升。本文还对比了循环前后的样品,发现其物相基本一致,但高电流密度下形貌结构坍塌严重,影响了循环稳定性。本研究提供了一种有效制备三元高电压材料的策略。     

Li2ZrO3包覆LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的复合材料及其电化学性能

以Zr（NO₃）₄·5H₂O和CH₃COOLi·2H₂O为原料,采用湿化学法,将Li₂ZrO₃包覆在LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂锂离子电池正极材料的表面,研究Li₂ZrO₃不同包覆比例对LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂电化学性能的影响。SEM、TEM、EDS谱图分析表明,Li₂ZrO₃层均匀地包覆在LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂表面,其厚度约为8 nm。与纯相相比,1%（质量分数） Li₂ZrO₃包覆的LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂复合材料在1.0 C下首次放电比容量为184.7 mA·h·g^-1、100次循环之后放电比容量为169.5 mA·h·g^-1,其容量保持率达到91.77%,表现出良好的循环稳定性。循环伏安（CV）和电化学阻抗（EIS）测试结果表明,Li₂ZrO₃包覆层抑制了正极材料与电解液之间的副反应,减小了材料在循环过程中的电荷转移阻抗,从而提高了材料的电化学性能。     

K+掺杂LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料的制备及电化学性能研究

锂离子电池正极材料LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂具有放电比容量大、热稳定性好、成本低、安全性能好等优点,但其倍率性能有待进一步提升。本文采用水热法制备了K⁺掺杂LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂材料LNCM-xK。通过X射线衍射谱、场发射扫描电镜和X射线光电子能谱表征LNCM-xK的形貌和结构,通过电化学工作站和蓝电测试系统测试其电化学性能。结果表明:K⁺掺杂能有效降低阳离子混排程度,改善LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂材料的电化学性能,其中当x=0.125时K⁺掺杂LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂样品(LNCM-0.125K)阳离子混排程度最低;LNCM-0.125K样品电化学性能最佳,0.2 C下50次循环后容量保持率为96.15%;在不同电流密度(0.2 C,0.5 C,1 C,2 C,5 C)下进行倍率性能测试,连续充放电30次后LNCM-0.125K样品容量保持率为97.00%。     

硼高效掺杂LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料及其性能提升机制

高键能异质原子的高效掺杂是稳定高电压LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂（NCM）三元正极材料并提升其电化学性能的有效策略。借助含硼前体在二次颗粒表面富集及随后高温煅烧强化B³⁺体相扩散的策略,构建了硼离子高效掺杂NCM正极材料（NCM-B）。引入B—O键（键能：809 kJ·mol^-1）抑制了电化学反应过程中晶格氧析出,进而稳定材料的氧离子框架;此外,表面残余的高锂离子导体Li₂O-B₂O₃包覆层可以在一定程度上稳定电极-电解液界面。与改性前NCM相比,改性后的NCM-B正极材料在3.0~4.5 V电压区间的可逆比电容量可以达到193.7 mA·h·g^-1,在10 C大功率下,比电容量仍保持120 mA·h·g^-1（NCM仅为78.2 mA·h·g^-1）。1 C下连续循环100圈后,比电容量保持率从73%提升到90%。表面富集和扩散强化的思想也有望实现其他正极材料的高效掺杂。     

Li3VO4修饰富镍LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极材料的电化学性能

采用湿法融合技术及高温固相法合成Li₃VO₄包覆的LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂正极材料。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等方法研究材料的结晶相、形貌、微观结构。研究表明,Li₃VO₄均匀地包覆在LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂表面,未改变原材料的材料结构和形貌,包覆层厚度为1～2 nm。不同含量的Li₃VO₄对LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂正极材料进行修饰研究表明,3%（质量）Li₃VO₄包覆的LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂在1 C下100次循环后容量保持率为94.13%,具有最佳的倍率性能和循环性能。此外,循环伏安（CV）和交流阻抗（EIS）分析表明,Li₃VO₄能提高Li⁺电导率,抑制活性材料与电解液之间的副反应,提高材料的电化学性能。     

基于分级共沉淀法制备锂离子电池LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料

通过分级共沉淀（分级进料）方法,结合高温热处理合成了金属元素（Ni,Mn）浓度从中心到表面呈梯度分布（中心富Ni,表面富Mn）的球形三元正极材料LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂。利用X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FESEM）、能谱仪（EDS）和电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS）等表征了所制备材料的成分、形貌和元素分布。通过恒流充放电和循环伏安、交流阻抗等方法对材料的电化学性能进行测试。结果表明,与传统的一级共沉淀方法相比,分级共沉淀所制备材料展现出更高的倍率性能（20 C放电比容量为104.1 mAh·g^-1）、循环保持率（0.5 C循环200次容量保持率为95.8%）和快速充放电性能（20 C/20 C放电比容量为85.4 mAh·g^-1）。这种分级进料制备技术可以有效提高共沉淀法制备锂离子电池三元正极材料的电化学性能。