不同正极材料及电池安全性能

采用差示扫描量热仪(DSC)分析了不同正极材料LiNi_0.7Co_0.1Mn_0.2O₂和LiNi_0.55Co_0.1Mn_0.35O₂的热稳定性,结果表明,LiNi_0.55Co_0.1Mn_0.35O₂具有更好的热稳定性,说明镍含量越高,正极材料的热稳定性越差。通过扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)分别表征了DSC测试后两种正极材料的形貌和结构变化。其中LiNi_0.7Co_0.1Mn_0.2O₂材料经高温加热后其颗粒明显破碎,XRD结果表明正极材料在高温加热时发生了分解,产生了镍的氧化物。通过加速量热仪(ARC)测试电池热稳定性证明,正极材料的热稳定性差直接导致电池的热稳定性也较差。为了提高电池耐高温安全性能,必须选择热稳定性好的材料。     

高镍LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的锂离子导体Li3PO4的包覆改性及电化学性能研究

采用典型的溶胶-凝胶法,在高镍LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂正极颗粒表面包覆不同含量的Li₃PO₄锂离子导体。利用X射线衍射仪,扫描电镜对Li₃PO₄包覆前后的LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂样品的晶体结构和微观形貌进行分析。结果表明,合成材料的层状结构明显,阳离子混排度低,并且Li₃PO₄成功包覆在LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂颗粒表面。另外,对4个样品进行了首次充放电,倍率放电和循环性能比较,结果表明经过Li₃PO₄包覆后的正极材料的综合电化学性能明显比未包覆样品优越。首次库伦效率从未包覆样品的84.2%提高到2%(质量分数)Li₃PO₄包覆样品的89.2%。而且在5C高倍率,2%(质量分数)Li₃PO₄包覆LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂的放电比容量是129.7 mAh/g,远远高于未包覆样品的92.6 mAh/g。同时,在常温和高温环境下循环100次后,2%(质量分数)Li₃PO₄包覆LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂的容量保持率比未包覆样品分别高出7.1%和9.9%。     

高镍正极材料LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2的研究进展

高镍正极材料LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂(NCM622)由于比容量高、价格低等优点,被认为是最有前景的正极材料之一。在介绍NCM622存在的问题的基础上,分别从合成方法、改进措施等方面进行总结,并对NCM622的未来发展进行展望。     

LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2@WO3复合正极材料的制备与性能

为改善LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂（NCM）锂离子电池三元正极材料的电化学性能,采用液相蒸发法将WO₃包覆于NCM表面,得到NCM@WO₃复合正极材料。通过XRD、SEM和TEM对NCM@WO₃复合材料的结构和形貌进行表征,利用充放电测试、循环伏安及交流阻抗测试对其电化学性能进行表征。结果表明,当WO₃包覆量为3wt%时,NCM@WO₃复合材料性能最佳,在0.5 C下的首次放电比容量为179.9 mA·hg-1,不可逆容量损失降低至42.4 mA·hg-1,循环50圈后容量保持率为98.3%。WO₃的包覆提高了锂离子扩散速率,减少了电极材料与电解液的副反应,NCM@WO₃复合材料的电化学性能得到提升。      

锂离子电池高镍三元正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的改性研究进展

高镍三元正极材料LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂(NCM811)具有平台电位高、能量密度大、成本低等优点，在动力锂离子电池市场具有广阔的应用前景。然而，该材料存在阳离子混排、表面不稳定、热稳定性差等缺点，导致电池在使用过程中出现容量衰减快、循环性能差、安全性能低等问题，严重阻碍了其大规模应用综述了NCM811材料的结构特征、存在问题及改性研究进展，重点介绍了离子掺杂、表面包覆、结构设计等改性方法对其电化学性能的影响，并展望了其未来发展趋势和应用前景。     

不同碳源包覆高电压LiNi0.5Mn1.5O4正极材料的制备及其电化学性能

LiNi_0.5Mn_1.5O₄正极材料由于其高电压、无钴和高能量密度优势而受到关注,但高电压下易受电解液腐蚀,循环稳定性差限制了其进一步应用。本文采用低温自蔓延法制备出高电压LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料,再使用不同糖类作为碳源进行包覆改性研究。结果表明,在400℃/Air条件下,以壳聚糖为碳源制备的LiNi_0.5Mn_1.5O₄复合材料性能明显改善,在148 mA·h/g下循环400次后放电比容量仍有113.3 mA·h/g,容量保持率为91.07%。这主要归功于材料表面裂解的碳层提高了材料的导电性,缓解了电解液的侵蚀,降低了电极反应极化,提高了锂离子扩散速率。本文利用廉价的糖类作为碳源,合成工艺简单,为镍锰酸锂的应用提供了新的思路。     

钼掺杂提升无钴高镍LiNi0.9Mn0.1O2正极材料倍率性能和循环稳定性研究

由于钴价格的不稳定，无钴高镍LiNi_0.9Mn_0.1O₂被认为是未来有潜力的正极材料，但是倍率性能弱和循环寿命短的问题阻碍了其商业化。通过Mo元素对无钴高镍LiNi_0.9Mn_0.1O₂正极材料进行掺杂改性，延缓材料在充电阶段的有害相变，进而提升材料的倍率性能和循环稳定性。在1C倍率下，循环500圈后有着73.3%的容量保持率；即使在10C的高倍率下，依然有着152.05mAh/g的高放电容量。本研究为用于电动汽车的锂离子正极材料提供了新的选择。     

非化学计量比调控高电压尖晶石正极材料电化学性能研究

用一种简单的方法制备了高性能的高电压尖晶石正极材料, 主要是调控正极材料中锂与过渡金属的摩尔比, 即通过Ni_0.25Mn_0.75(OH)₂与Li₂CO₃进行高温固相反应制备了非化学计量比的Li_1.05Ni_0.5Mn_1.5O₄和化学计量比的LiNi_0.5Mn_1.5O₄尖晶石型高电压正极材料。用扫描电子显微镜、X射线衍射、中子衍射、拉曼光谱、X射线光电子能谱以及循环伏安曲线对其形貌、晶体结构及元素价态和电化学性能进行了表征。研究发现, 非化学计量比的Li_1.05Ni_0.5Mn_1.5O₄中由于金属离子随机分布于16 d位置, 所以Ni/Mn阳离子无序化程度更高。非化学计量比的高电压正极材料具有更为优异的倍率性能, 并且在400次循环后比容量保持率高达91.2%。同时, 原位X射线衍射测试结果表明, 在充放电过程中非化学计量比的高电压正极材料发生连续单一的相转变, 可以提高晶体结构的稳定性。因此, 非计量比的尖晶石Li_1.05Ni_0.5Mn_1.5O₄正极材料在高能量密度的锂离子电池中具有更广阔的应用前景。     

湿法合成LiNixCoyMn1-x-yO2的E-pH图绘制及其电性能

通过热力学计算获得了Li-Ni-Co-Mn-H₂O系中各物质的热力学数据, 从而绘制了25℃和200℃、离子活度为1.00下的Li-Ni-Co-Mn-H₂O系电位-pH图。热力学分析结果表明: 温度为25℃时, 在pH 3~13范围内, 水溶液中未出现LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂稳定区域; 随着温度升高, Li-Ni-Co-Mn-H₂O系中各物质的稳定区域向低pH和低电位方向移动。在温度为200℃, pH为9.7~13.0的水溶液中出现了LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂稳定区域。这说明在一定温度下, 水溶液中合成LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂是可能的, 且提高温度有利于合成反应进行。进一步通过实验验证, 以(Ni_0.5Co_0.2Mn_0.3) (OH)₂前驱体和LiOH·H₂O为原料, 在水溶液中成功获得具有α-NaFeO₂层状结构的锂镍钴锰四元前驱体, 经过热处理后得到循环稳定性良好的LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂正极材料。实验结果证明, 所绘制Li-Ni-Co-Mn-H₂O系E-pH图是可靠的, 且湿法合成LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂正极材料具有良好的循环性能。     

LiNO3-LiOH熔盐法制备单晶LiNi0.75Co0.10Mn0.15O2正极材料

目前,新型正极材料的研究主要集中于提高材料的能量密度和安全性等。其中,单晶型镍钴锰三元材料具有耐高压、高热力学稳定性和高循环稳定性等优异的综合性能,是极具发展前景的正极材料之一。采用LiOH作为熔盐、添加LiNO₃助熔剂降低熔点,烧结制备单晶LiNi_0.75Co_0.10Mn_0.15O₂材料。结果表明,当烧结温度为860℃、前驱体与混合锂盐的物质的量比为1∶2时,所合成的单晶正极材料的Li⁺/Ni²⁺混排率较低,晶体颗粒粒径为1.5～2.5μm。该材料具有良好的循环稳定性,首圈放电容量为172.3 mAh/g,在常温、2.8～4.4 V内,以1C倍率循环100次后,其容量保持率可达86.3%。     

Sb掺杂O3型Na0.9Ni0.5Mn0.3Ti0.2O2钠离子电池正极材料

提高钠离子电池正极材料的循环稳定性和比容量是实现其广泛应用的关键,基于引入特定杂元素可优化正极材料结构稳定性和比容量的策略,本研究采用便捷的固相反应法制备O3-Na_0.9Ni_0.5Mn_0.3Ti_0.2O₂(NMTSb_x, x=0,0.02, 0.04, 0.06)系列层状氧化物正极材料,对比研究了Sb掺杂对Na_0.9Ni_0.5Mn_0.3Ti_0.2O₂正极材料储钠性能的影响。测试结果表明,引入Sb后过渡金属层中氧原子之间的静电斥力减小,晶格间距扩大,有利于Na⁺的脱嵌。且掺杂Sb所造成的强电子离域降低了整个系统的能量,获得了更有利于循环充放电的稳定性结构。在2.0～4.2 V测试范围下,未掺杂的NMTSb₀在1C(240mA·g^-1)倍率下初始放电比容量为122.8mAh·g^...     

高性能LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极材料的合成及其电化学性能

通过改变煅烧过程中的气氛条件,以简单的固相法合成工艺获得了优异性能的LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂(NCM811)材料,并探究了不同O₂流量对样品的结构和电化学性能的影响。结果表明,当O₂流量为0.1 L/min时,所合成的LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂样品具有最低的阳离子混乱程度和较大的晶面间距。该样品在1 C、4.3 V下循环100次后的放电容量为174 mA·h·g?1,容量保持率高达98.3%;在更高的2 C倍率下循环100次后的保持率也达96.8%,并在高截止电压条件下表现良好。从实验结果还可得出,过低的O₂流量不利于Ni2+转化为Ni3+,从而造成较高的阳离子混排度,而过高的O₂流量则会使所合成LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂材料的晶胞体积减小,不利于Li+的脱嵌。      

单晶结构设计提高Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2的循环和倍率性能(英文)

富锂层状氧化物是构筑高能量密度锂离子电池富有潜力的正极材料.然而,由于不可逆的结构变化和缓慢的界面动力学,传统的多晶富锂层状氧化物正极材料循环和倍率性能较差.本文提出了一种聚乙烯基吡咯烷酮(PVP-K30)辅助共沉淀制备单晶Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂纳米片的方法.这种方法操作简单、成本低且便于放大生产.所制备的单晶纳米片内部晶格连续且无晶界,缩短了Li⁺的嵌入/脱嵌路径,加快了电极反应动力学过程.单晶结构还能抑制层状相向尖晶石相的不可逆相变和颗粒内部裂纹的形成,起到稳定层状结构的作用.电化学测试结果表明,所制备的Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂单晶纳米片在0.1 C倍率下的可逆容量为254.5 mA h g^-1,在5 C高倍率下循环1000次后容量保持率为71.9%.这种简单的制备纳米...     

电子导电剂对石榴石基固态锂电池循环性能的影响

基于石榴石固体电解质的固态锂电池面临着固体电解质和固体电极之间较大的界面阻抗问题, 导致循环性能不佳。为了解决此问题, 本课题组制备并研究了LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂基正极、Li_6.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O₁₂陶瓷固体电解质和金属锂负极构成的固态锂电池。在构筑LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂基正极时采用三种不同的导电碳, 研究表明, 与科琴黑和超导炭黑相比, 使用气相生长碳纤维(Vapor Grown Carbon Fiber, VGCF)时, 固态电池有更优异的循环性能。这是因为充电到高电压时, VGCF比另外两种导电剂引起的副反应更少, 从而减少能增加电池内阻的碳酸盐类副产物的形成。这些结果说明电子导电剂的稳定性对固态锂电池的循环性能有重要影响。     

Al2O3包覆Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2富锂正极材料的电化学性能

用溶胶凝胶法制备了Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂富锂锰基正极材料,用均匀沉淀法对其进行不同比例Al₂O₃的表面包覆改性,并对其进行XRD、TEM表征和电化学性能分析。结果表明,包覆后的材料保持了原来的层状结构,Al₂O₃均匀地包覆在材料颗粒表面形成纳米级包覆层。在0.1C、2.0~4.8 V条件下Al₂O₃包覆量(质量分数)为0.7%的正极材料首次放电容量为251.3 mAh/g,首次库仑效率达到76.1%,100次循环后容量保持率达92.9%。包覆Al₂O₃抑制了循环过程中的电压衰减,适量的Al₂O₃包覆使正极材料的电化学性能提高。     

锂离子电池高镍LiNi0.8Mn0.2O2正极材料的微波合成及其Co、Al共改性

高镍正极材料由于较高的比容量和性价比而受到关注, 但在循环过程中稳定性较差且安全性能不佳, 限制了其更广泛的应用。本研究结合微波辅助共沉淀与高温固相法制备高镍正极LiNi_0.8Mn_0.2O₂二元材料, 再掺入不同比例的Co、Al对材料进行改性研究。结果表明, 改性后的材料性能明显改善, 特别是LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.08Al_0.02O₂在2.75~4.35 V、1C下循环100次后容量保持率达到91.39%, 在5C下放电比容量仍有160.03 mAh∙g^-1, 并且掺杂后的材料具有较高的热稳定性, 安全性得到提升。其优异的循环保持率归因于Co、Al较好地抑制了循环过程中H2→H3相变的不可逆性对材料结构稳定性的破坏, 以及较弱的电极反应极化, 使电荷转移电阻降低。     

超快碳热冲击将废旧锂电池正极材料变废为宝制备多功能电极用于水分解和可充锌空气电池（英文）

随着锂离子电池在电动汽车和日常电子器件中的应用越来越广泛,亟需开发废旧锂电池电极材料回收技术.本文提出采用超快碳热冲击的方法将锂电池正极材料LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂快速转化成Ni/Ni-MnCo-O (N/NMCO)复合材料,其在氧析出(OER)、氧还原(ORR)、氢析出(HER)等反应中表现出优异性能. N/NMCO复合材料可以被同时用于电解水器件的正极和负极,并用于锌空气电池的正极,电池比容量可达781 mA h g^-1,能量密度达到137 mW cm^-2,充放电压差仅为0.71 V,且可以稳定运行超过30 h.本工作提供了一种“变废为宝”的策略,将废旧锂离子电池正极材料转化为高效电极材料用于其他能源存储与转换器件中.     

洗涤和热处理对LiNi0.8Co0.15Al0.05O2正极材料结构和电化学充放电性能的影响

用去离子水将原始的LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂正极材料进行洗涤并分别在不同温度下处理相同的时间, 讨论了LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂正极材料结构、形貌以及电化学充放电性能的变化, 同时探讨了洗涤和热处理对材料结构、电化学充放电性能以及倍率性能影响的机理。XRD分析表明: 在洗涤和热处理之后, LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂正极材料的I₍₀₀₃₎/I₍₁₀₄₎比值以及晶胞体积均有变小; 傅里叶红外光谱分析表明: 在洗涤和热处理之后, LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂正极材料中形成了碳酸锂、镍化合物杂质及其相关变化。同时对洗涤和热处理前后LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂正极材料容量和倍率性能进行测试。容量测试结果表明: 原始样品以及处理后样品在30圈循环之后容量保持率分别为88.87%、 87.21%、85.43%和87.80%。     

退役NCM333正极材料热化学还原转化过程研究

锂离子电池日前的爆发式增长使之将在未来的3～5年内面临大量的“退役”问题。退役锂离子电池尤其是退役正极材料的高效、可持续的回收利用,是实现新能源产业碳达峰和碳中和目标的关键。主要研究了玉米秸秆对退役正极材料LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂(NCM333)中有价金属的热化学还原过程,通过调控转化高价金属,选择性回收金属盐及单质,避免传统回收过程中化学试剂的添加,同时利用退役正极材料中的过渡金属特性,对玉米秸秆进行催化重整产气。使用X射线衍射仪、X射线光电子能谱等仪器分析热解后的正极材料和玉米秸秆,结果表明,玉米秸秆热解、气化产生的还原性气体和生物碳破坏了正极材料LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂中的高价金属—氧键,降低Ni, Co和Mn的金属价态,同时将Li转化为Li₂CO₃。不同的热解温度得到了不同的热解产物,较高的温度更易得到Ni-Co合金及MnO。热解还原...     

超高镍LiNi0.91Co0.06Al0.03O2@Ca3(PO4)2正极材料的储锂稳定性的提升机制

超高镍正极材料具有高比能、高电压和低成本等特点, 在新一代锂离子电池中备受关注, 但在电池的长循环过程中会出现微裂纹、机械粉化和不可逆相变, 导致差的循环性能。本研究采用简便的湿化学法制备了一系列Ca₃(PO₄)₂包覆的超高镍LiNi_0.91Co_0.06Al_0.03O₂材料(NCA@nCP)。其中, NCA@1CP在1C (1C=200 mA/g)、2.7~4.3 V下可获得204.8 mAh/g的放电比容量, 100圈循环后容量保持率为91.5%, 甚至在2C的倍率下循环300圈后仍保留153.4 mAh/g的放电比容量。表征结果证实该包覆层可抑制材料的Li/Ni混排、不可逆相变和机械粉化, 从而大幅提升了循环稳定性。本研究表明Ca₃(PO₄)₂包覆策略在提升超高镍正极材料储锂稳定性方面具有较大的应用潜力。