第一性原理在锂离子电池电极材料中的应用研究

在锂离子电池电极材料研究中,第一性原理计算能在理论上协助解释实验结果,为材料的合成和性能改进提供理论依据。目前第一性原理计算在锂离子电池电极材料中的应用主要集中在正极材料磷酸铁锂和层状氧化物LiMO2(M=Ni, Co, Mn, Al等)材料中,对热门三元材料,特别是三元材料改性前后界面结构变化的研究较少。围绕密度泛函理论,综述了其在电极材料工作电压、电子传导性和离子扩散性、结构稳定性、储锂容量的计算以及热力学性能预测及解释等方面的应用,对较为集中的研究方向的进展进行阐述和总结,为用第一性原理进一步研究LiNix Coy Mn1-x-yO2复合材料提供借鉴。     

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。     

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。     

计算机模拟在不同类型离子电池电极材料中的研究进展

高能量密度储能装置的锂硫电池和钠离子电池等新型电池体系正在迅速发展。简要概述了锂离子电池、锂硫电池和钠离子电池的正负极材料,着重就第一性原理、分子动力学、蒙特卡罗及有限元方法在电极材料中的研究进展,以及在材料的晶体结构、电子结构、离子的输运过程、材料中的温度和应力分布以及掺杂改性等方面的应用进行了综述,对计算模拟技术在电极材料中的应用前景进行了展望。这些理论研究成果将有助于加深对材料和电池性能之间关系的理解,并对新电池体系材料的设计和研发具有理论指导意义。     

废旧锂离子电池回收制备MnO2及其储锌性能

随着锂离子电池产业的快速发展,退役锂离子电池的回收利用问题已成为工业和学术界关注的热点。前人对废旧锂离子电池中有价值资源的回收做了大量研究,但将回收的锂离子电池材料直接转化为新型储能体系电极材料的研究鲜有报道。为实现退役电池的资源化再利用,可通过简单的H₂SO₄浸渍法,将废旧锂离子电池中锰酸锂(LiMn₂O₄)材料转化为MnO₂,并用做水系锌离子电池正极材料。通过XRD、XPS、BET、SEM、CV、TEM、EIS以及电化学性能测试等表征方法,探究酸浸渍条件如温度、时间等对所制备MnO₂形貌、结构和电化学性能的影响规律。结果表明：LiMn₂O₄材料经酸浸渍会发生歧化反应,使Li⁺和部分Mn²⁺从晶格中溶出,而浸渍温度对离子的溶出速度有显著影响。室温下,LiMn₂O₄晶格中离子的溶出速度较慢,可获得与其晶体结构相近的λ-MnO<...     

正极材料LiFePO4/C掺杂改性的研究进展

LiFePO₄/C具有高温稳定性好、价格低廉、循环性能良好、环保等性能,是一种具有发展潜力的锂离子动力电池正极材料之一,因此在锂离子电池行业备受关注。但由于其电子电导率低以及锂离子扩散速率慢等缺点制约其发展。介绍了磷酸铁锂的结构、性能、充放电原理和掺杂机理,尤其对近年来LiFePO₄/C材料的掺杂改性研究进行了综述。     

LiFePO4锂离子电池的数值模拟：正极材料颗粒粒径的影响

LiFePO₄（LFP）作为正极材料时，锂离子电池安全性高且循环寿命长，是目前应用最广泛的正极材料，但其电池倍率性能较差。提升倍率性能的有效手段之一是将LFP材料颗粒纳米化，但材料纳米化过程中颗粒粒径减小对于锂离子电池充放电过程中锂在固液相的扩散及表面电化学反应的影响机制仍缺乏清晰的认识。采用锂离子电池的准二维模型，模拟锂离子电池的放电过程，定量研究了正极材料颗粒粒径对锂离子电池倍率性能的影响，分析了固液相扩散速率与电化学反应速率受LFP材料颗粒粒径的影响程度。研究结果表明：电极材料中固相扩散阻力是锂离子电池电化学性能的主要限制因素。小粒径的LFP作为正极材料时，电极材料内的金属锂的迁移路径较短，同时颗粒与电解液的接触面积增加，界面的电化学反应速率较快，放电倍率对于锂离子电池性能影响较小；大粒径的LFP作为正极材料时，电极材料内的金属锂扩散路径的增加和较高的固相扩散阻力限制了界面的电化学反应速率，导致锂离子电池的倍率性能显著降低。LFP材料的纳米化可以有效减小固相扩散阻力，提升锂离子电池的倍率性能。     

锂离子电池异构建模及内部传质机理探究：粒径分布的影响

锂离子电池是目前应用较广的储能设备,具有能量密度高、使用寿命长等特点。随着锂离子电池正极材料实际能量密度接近理论值,电池组装工艺参数的优化成了提升其性能的重要途径,其中电极颗粒粒径及分布是十分重要的参数。因此,本文针对石墨-LiFePO₄体系锂离子电池,利用异构模型构建单粒径和双粒径电极的几何结构,再结合Newman模型模拟其放电过程,定量研究了正极材料粒径分布对锂离子电池性能的影响,探究了存在粒径分布的电极中不同粒径的颗粒在充放电过程的作用机制。模拟结果表明,粒径的减小可以减小固相扩散系数对电池性能的影响,但会增加液相扩散阻力;而粒径的分布可以促进锂离子在电解液中的扩散,提高小粒径颗粒的锂嵌入量,但会引起极化增大,导致大颗粒的锂嵌入量降低。粒径分布宽度越大,总体粒度越大,锂离子电池的能量密度越小。选择合适的粒径分布宽度,适当减小总体粒度的大小,能有效提升电极的能量密度。研究结果对于锂离子电池电极活性材料颗粒粒径分布的选择提供了有益的基础知识和指导。     

氧化铝包覆锂离子电池正极材料的研究进展

锂离子电池正极材料的性能是锂电池技术发展的瓶颈。近年来,为了提高锂离子电池正极材料的循环寿命、热稳定性和倍率性能等,三氧化二铝涂覆正极材料已经被广泛研究。所讨论的三氧化二铝涂层分为粗糙涂层、超薄涂层和厚涂层。简要论述了三氧化二铝表面涂层改善正极材料的作用,如氟化氢清除剂、物理保护屏障、提高锂离子扩散速率、提升正极材料的热稳定性能、与六氟磷酸锂(LiPF₆)反应生成二氟磷酸锂(LiPO₂F₂)和抑制JahnTeller效应等。介绍表面改性的方法,包括浸渍法、沉淀法、干法包覆、溅射法和原子层沉积法等,以及其对锂离子电池正极材料钴酸锂(LiCoO₂)、锰酸锂(LiMn₂O₄)、磷酸铁锂(LiFePO₄)及三元材料(Li-Ni-Co-Mn-O)的影响。最后,展望了三氧化二铝表面包覆和原子层沉积技术的发展前景。     

含导电聚苯胺类锂离子电池复合材料的现状及发展趋势

导电聚苯胺（PANI）是近十年来研究最多的导电聚合物,具有比容量高、氧化还原可逆性好、电导率高、合成方法简单、成本低等特点,在化学电源和超级电容器中的应用最为广泛。导电聚苯胺复合材料的合成方法主要分为：原位复合法、共混法、自组装和电化学复合法等。导电聚苯胺复合材料可作为高能物质用于研发电极材料,但目前利用导电聚苯胺对锂离子电池三元正极材料进行修饰改性的研究较少。综述了导电聚苯胺及其复合材料的热电化学性能,重点对导电聚苯胺/锂离子电池复合正极材料的性能进行了阐述。最后对导电聚苯胺复合材料的应用和研究方向进行了总结,并简述了导电聚苯胺包覆改性LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂复合材料的应用和展望。     

湿法回收退役三元锂离子电池有价金属的研究进展

近年来，随着三元体系锂离子电池市场份额的快速增加，退役三元锂离子电池将在未来出现爆发式增长，因此，回收三元锂离子电池电极材料中高价值的钴、镍、锂等有价金属成为电池行业的又一研究热点。本文详述了湿法回收三元电池电极材料有价金属的工艺流程和主要方法，重点介绍了有价金属的浸取方法、金属的分离提取、再合成利用和浸取动力学机理的研究进展，比较了工艺流程中不同处理方法的优缺点。并对回收退役三元电池材料的有价金属作了经济性分析，结果表明，三元电池材料有价金属回收具有可观的经济效益。最后对湿法回收三元电池材料中的有价金属方法进行总结，并简述了未来湿法回收处理方法的重要技术，包括化学纯化、自动化拆解以及完善的分类回收技术等，为未来三元电池材料回收技术发展提供参考。     

五氧化二钒电极材料的研究新进展

五氧化二钒作为传统锂离子电池电极材料已被广泛研究。近年来对五氧化二钒电极材料性能的改进一直是锂离子电池研究领域的热点与前沿之一。综述了五氧化二钒材料作为锂离子电池电极材料的研究最新进展,从结构与充放电机理、合成方法及复合改性等方面进行了讨论,总结了五氧化二钒电极材料的各种制备、掺杂和复合方式及其对电化学性能的影响,并指出了其作为锂离子电池电极材料的发展趋势。     

锂离子电池正极材料磷酸钒锂制备方法研究进展

单斜结构的磷酸钒锂[Li₃V₂（PO₄）₃]材料与其他锂离子电池正极材料相比具有较高的工作电压（3.0~4.8 V）、良好的离子迁移率和优良的热稳定性,是一种具有竞争优势和发展前景的大功率锂离子电池正极材料,成为了近年来研究的热点。综述了锂离子电池正极材料磷酸钒锂的结构特点及其充放电机理。磷酸钒锂的常用合成方法有碳热还原法、水热法、溶胶-凝胶法及流变相法等,着重阐述了磷酸钒锂的不同合成方法对所制备样品的形貌和电化学性能的影响。分析总结了不同合成方法的改进方法,以改善磷酸钒锂正极材料电子导电性和锂离子扩散系数较低的问题。最后,针对磷酸钒锂正极材料在锂离子电池的应用中所存在的问题展望了该材料未来可能的发展方向和研究热点。指出需要优化材料的制备方法以改善材料的颗粒形貌、提高电子导电率和扩散系数等,进而改善材料的循环性能、倍率性能和充放电性能等;需要改进制备流程、提高实验的安全性、简化反应流程和减少制备成本等,以实现磷酸钒锂正极材料的工业化应用。     

无机超细粉体改性锂离子电池隔膜的研究进展

综述了近年来无机超细粉体改性锂离子电池隔膜的研究进展,首先介绍了已在锂电隔膜改性上商业应用的Al₂O₃和AlOOH对传统聚烯烃膜和新型静电纺丝膜的改性方法和改性效果,随后又对常规无机材料TiO₂和SiO₂粉体对锂电隔膜的改性进行了叙述,最后对BN等非常规隔膜改性无机材料进行了简介;总结和讨论了无机材料改性后隔膜的组分、结构和性能对锂离子电池综合性能的影响,并对其无机材料改性锂电池隔膜的未来发展趋势进行了展望。     

涂层组分对堇青石脱硝催化剂性能的影响

为了探究涂层组分对整体式低温选择性催化还原（SCR）脱硝催化剂性能的影响，本文使用锰氧化物（MnO _x ）、氧化物涂层（TiO₂、SiO₂及Al₂O₃）、堇青石（CC）基体制备整体式涂层催化剂，考察催化剂牢固度以及脱硝活性。结果表明：在200℃ 时，对于MnO _x /Al₂O₃/CC催化剂，MnO _x 负载率为6%（质量分数）时脱硝效率最高为95%；对于MnO _x /TiO₂/CC，负载率为6%~12%时脱硝效率相差不大，为75%左右；对于MnO _x /SiO₂/CC，负载率12%时脱硝效率80%。样品牢固度排列顺序如下：MnO _x /Al₂O₃/CC > MnO _x /SiO₂/CC > MnO _x / TiO₂ /CC。通过BET、SEM、TG、Raman、H₂-TPR等测试与分析方法发现：影响催化剂性能的因素主要为活性组分MnO _x 状态以及载体性能的差异。Al₂O₃涂层比表面积适中，作为载体活性好；SiO₂涂层虽然比表面积大、牢固度好，但作为载体活性差；TiO₂作为涂层比表面积较小，溶胶中溶剂挥发快使得涂层表面不均匀。     

锂离子电容器碳正极材料的研究进展

锂离子电容器是一种采用电容型正极材料、电池型负极材料进行组装的储能器件，结合了锂离子电池与超级电容器两者的优点，兼具高能量密度、高功率密度和长循环寿命。但是由于锂离子电容器还存在正负极动力学过程以及容量不匹配的问题，大大影响了锂离子电容器的电化学性能。通常锂离子电容器的功率密度取决于负极材料，而能量密度取决于正极材料，因此为提高锂离子电容器的能量密度，还需发展具有高比容量和高导电性的正极材料。目前，碳材料因具有低成本、来源广泛、高比表面积和丰富的孔道结构等特点，是一种极具应用潜力的电极材料。综述并分析了各种碳材料(包括活性炭、模板炭、石墨烯和生物炭等)作为锂离子电容器正极材料的电化学性能与优缺点，最后对锂离子电容器正极材料的研究提出了建议与展望。     

磷酸铁锂正极材料的制备及性能强化研究进展

橄榄石型磷酸铁锂是目前应用十分广泛的锂离子电池正极材料之一,具有成本低、安全性高、环境友好、循环寿命长和工作电压稳定的特点。近年来,随着CTP技术、刀片电池技术等取得的突破性进展,磷酸铁锂的商业化程度得到了大幅提高。但磷酸铁锂存在电子导电性较差和离子扩散系数低的缺陷,严重限制了锂离子电池的电化学容量,因此开展磷酸铁锂制备工艺和性能强化研究对磷酸铁锂的性能提升具有重要意义。对比了磷酸铁锂电池与其他正极材料锂离子电池的性能差异和发展现状,系统总结了磷酸铁锂正极材料制备与强化的改性方法及相关研究进展与挑战,并提出了未来的发展方向与研究思路。