LiODFB基电解液与高电压正极材料LiNi0.5Mn1.5O4的相容性

研究了草酸二氟硼酸锂(LiODFB)基电解液与锂离子电池高电压正极材料锰酸镍锂(LiNi0.5Mn1.5O4)的相容性,结果表明:在25℃和60℃,以LiODFB和六氟磷酸锂(LiPF6)为电解液的LiNi0.5Mn1.5O4/Li电池的CV曲线都具有单一的氧化还原峰,电池的可逆性优良,且LiODFB电池的循环性能优于LiPF6电池。在25℃,LiODFB电池和LiPF6电池以0.5C倍率首次充放电比容量分别为126.3 mAh·g-1、131.6 mAh·g-1,经100次循环后容量保持率分别为97.1%、94.7%;在60℃,LiODFB电池和LiPF6电池以0.5C倍率首次充放电比容量分别为132.6 mAh·g-1、129.1 mAh·g-1,经100次循环后容量保持率分别为94.1%、81.7%。电化学阻抗谱也表明:在60℃,LiODFB电池的阻抗比LiPF6电池的小,LiODFB电池具有更好的高温充放电性能。     

CeO2纳米晶的添加对锂硫电池电化学性能的影响

以Ce(OH)₄为原料, 采用热分解法制备得到粒径小于10 nm的CeO₂纳米晶。制备得到的CeO₂纳米晶表面存在丰富的羟基和硝基, 作为硫正极添加剂, 一方面可以有效吸附硫和多硫化锂, 抑制多硫化锂在电解液中的溶解和穿梭效应的发生, 进而提高电池的循环性能。同时, 可以改善电极和电解液之间的接触性, 提高活性物质利用率。其中, 含有5wt%的CeO₂纳米晶的锂硫电池在0.1C和0.5C(1C=1675 mA/g)的充放电倍率下, 100周之后放电比容量分别达750 mAh/g和598 mAh/g, 远高于不含有CeO₂纳米晶的523 mAh/g和395 mAh/g, 同时, 循环前后的电池阻抗也明显降低。     

高质量水系钠离子电池正极Fe4[Fe(CN)6]3的合成及其电化学性能

采用水热法合成高质量的Fe₄[Fe(CN)₆]₃(HQ-FeHCF)纳米材料, 并对材料进行X射线衍射(XRD), 扫描电子显微镜(SEM), 透射电子显微镜(TEM)和热重分析测试(TGA)等表征。结果表明：Fe₄[Fe(CN)₆]₃呈规则立方体, 颗粒大小约500 nm, 属面心立方结构。Fe₄[Fe(CN)₆]₃在NaClO₄-H₂O-聚乙二醇电解液中1C、2C、5C、10C、20C、30C和40C的容量分别为124、118、105、94、83、74和64 mAh·g ^-1, 表现出优异的倍率性能; 以5C倍率循环500次, 容量保持率接近100%, 表现出极佳的循环稳定性。以Fe₄[Fe(CN)₆]₃和磷酸钛钠分别为正负极的全电池工作电压高达1.9 V, 能量密度可达126 Wh·kg ^-1; 以5C倍率恒流充放电测试140次后全电池容量保持率为92%, 且库伦效率始终接近100%。     

聚丙烯酰胺改性LiFePO4/C正极材料的研究

以聚丙烯酰胺(PAM)作为分散剂, 采用液相控制结晶-碳热还原法制备LiFePO₄/C正极材料, 考察了PAM对LiFePO₄/C正极材料性能的影响, 采用热化学分析、X射线衍射、扫描电镜、碳含量分析和充放电测试等分析测试手段对材料进行表征。结果表明, 将PAM溶于酸液中且添加量为1.5wt%时制备的LiFePO₄平均粒径约为100 nm, 颗粒分散较为均匀; 该材料在0.1C、1C、2C、5C和10C倍率下首次放电比容量分别为153.8、142.5、138.4、128.7和124.3 mAh/g, 1C倍率下循环100次后容量保持率仍在99%以上; 交流阻抗分析表明: 1.5wt%PAM改性后的材料的各种阻抗值均降低, 锂离子的导电速率提高了28倍。PAM改性后的LiFePO₄/C正极材料的离子及电子导电性提高了, 具有优良的倍率性能与循环性能, 有利于大规模推广应用。     

钾离子掺杂提高锂离子电池正极锰酸锂性能的微观机制

改善尖晶石锰酸锂的大倍率性能是目前锂离子电池的重点研究方向之一。本研究用高温固相法合成掺K⁺的尖晶石锰酸锂, 研究K⁺提高锰酸锂倍率性能的微观机制。结果表明, 尽管随着电流密度增大, 电极的放电比容量下降, 但掺K⁺提高材料的大倍率性能效果显著, 如最佳掺K⁺量(物质的量分数)1.0%时, 在10C (1C=150 mA·g^-1)下比容量提高了一倍, 远高于0.5C下的1.9%。原因在于掺K⁺后, 首先, 锰酸锂的晶胞体积扩大, Li-O键变长, Li、Mn阳离子混排程度降低, 载流子(Mn³⁺)量增多; 其次, 电极极化和电荷迁移阻抗降低, 提高了材料的充放电可逆性、导电性及锂离子扩散能力; 再者, [Mn₂]O₄骨架更稳定, 减小了电化学过程中内应力变化, 抑制了晶体结构变化和颗粒破碎; 最后, 钾离子掺杂使制备过程中材料团聚, 从而减小电解液与电极的接触面积, 减轻电解液的侵蚀, 抑制锰的溶解。     

双功能电解液添加剂对锂离子电池高温高电压性能的影响

三元锂离子动力电池的开发和应用受制于高温高电压条件下的容量衰减和电池产气鼓胀等技术难题。解决这些问题一方面要注重电极材料改性和电池设计, 另一方面还依赖于电解液的技术进步。本研究报道了四乙烯基硅烷(Tetravinylsilane, TVS)作为LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂(NCM622)/石墨软包电池的电解液添加剂, 可以显著改善电池的高温(45~60 ℃) 高电压(4.4 V)性能, 包括存储和循环性能。结果表明, 电解液中含有质量分数0.5% TVS的电池在2.8~4.4 V区间, 1C (1C=1.1 Ah)倍率下循环400次后的容量保持率达到92%, 而电解液中未添加TVS的软包电池仅为82%。进一步研究表明, 一方面TVS高电压下优先被氧化, 可以在NCM622颗粒表面形成耐高温的CEI膜, 有效抑制NCM622颗粒内部裂纹和过渡金属离子溶出; 另一方面, TVS在低电位下还可以优先被还原, 在石墨负极表面聚合形成稳定的SEI膜, 抑制电解液与负极之间的副反应。     

TiO2(B)表面修饰富锂层状氧化物Li(Li0.17Ni0.2Mn0.58Co0.05)O2正极材料

采用喷雾干燥法和沉淀法, 制备了表面修饰TiO₂(B) (2wt%、4wt%、6wt%和8wt%)的富锂层状氧化物Li(Li_0.17Ni_0.2Mn_0.58Co_0.05)O₂正极材料。X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)结构测试分析结果表明, 修饰TiO₂(B)后样品的体相结构仍然保持初始样品的层状结构, 仅氧化物颗粒表面附着有少量TiO₂(B)纳米晶。示差扫描量热测试(DSC)表明, 与初始样品比较, 修饰TiO₂(B)后样品的热稳定性得到明显改善。在2.0~4.8 V范围内进行恒流电化学性能测试。研究显示, 在0.1C(1C=300 mA/g)倍率下, 修饰4wt%TiO₂(B)样品的首次放电比容量可达296.4 mAh/g, 首次库伦效率则由初始样品的77.7%提升到修饰TiO₂(B)后样品的84.3%, 100周循环后电极容量保持率由初始样品的69.5%提升到修饰TiO₂(B)后样品的80.2%。即使在阶梯倍率的2C倍率下, 修饰4wt%TiO₂(B)的样品仍具有较高的电化学容量(166.5 mAh/g)。以上研究结果表明, 表面修饰TiO₂(B)纳米晶可以显著改善富锂层状氧化物Li(Li_0.17Ni_0.2Mn_0.58Co_0.05)O₂的热稳定性和电化学性能。     

可用于锂离子电池的新型锂盐:LiODFB

介绍一种新型的可用于锂离子电池的锂盐:LiODFB(lithium oxalyldifluoroborate).LiODFB独特的化学结构,使其结合了双乙二酸硼酸锂(LiBOB)及四氟硼酸锂(LiBF4)的优势.与LiBOB相比,LiODFB在碳酸酯中的溶解性和溶剂的黏度有了明显改善,从而使锂离子电池具有更好的低温性能和倍率放电性能.而与LiBF4相比,LiODFB能促进稳定固态电解液界面(solid electrolyte interface,SEI)的形成,改善了锂离子电池的高温性能.该种新型锂盐还具有以下优点:与金属锂的化学稳定性好,在高电位下能够很好地使铝箔得到钝化和提高锂离子电池安全性能及抗过充的能力.这些性能使得LiODFB成为一种极有可能替代LiPF6的新型锂盐.     

锂硫电池正极用钴掺杂空心多孔碳载体材料

锂硫电池被认为是新一代低成本、高能量密度的储能系统。但由于硫正极导电性差、穿梭效应严重以及氧化还原反应速率慢, 导致电池容量衰减严重, 倍率性能较差。本研究以柠檬酸钠为碳源制备了具有三维中空结构的多孔碳材料, 并在其骨架上负载钴纳米颗粒后作为硫正极的载体。引入的钴纳米颗粒可有效吸附多硫化物, 提升其转化反应的动力学, 进而明显改善电池的循环和倍率性能。所得的钴掺杂复合硫正极在0.5C (1C=1672 mAh·g^-1)的倍率下首圈放电比容量高达1280 mAh·g^-1, 在1C的倍率下稳定循环200圈后可保持770 mAh·g^-1, 并且具有优异的倍率性能, 即使在10C的大电流密度下仍可稳定循环。     

腐蚀Al箔集流体对球状LiFePO4/C复合材料电性能的影响

以Fe （NO₃）₃9H₂O、H₃PO₄、HNO₃为原料,采用液相结晶法制备类球状FePO₄前驱体,后续运用高温固相还原法制备球状LiFePO₄/C复合材料。对腐蚀后的Al箔进行SEM、金相显微镜和测厚规表征分析。以腐蚀后的Al箔作为Li离子电池正极材料LiFePO₄/C复合材料的集流体时进行电性能测试,结果表明：腐蚀Al箔表面形成密集有序的三维微方孔,内部也形成了密集的隧道孔且Al箔厚度减少了14.29%。以腐蚀后Al箔作为集流体时,LiFePO₄/C复合材料的电性能得到改善,在0.1 C下首次放电容量为153 mAh·g^-1,电极反应电阻为51.12 Ω,且具有良好的倍率性能和循环稳定性能。     

炭包覆LiFePO4纳米片的制备及电化学性能研究

为改善磷酸铁锂正极材料的倍率性能, 以乙二醇为溶剂, 采用一步溶剂热法制备磷酸铁锂纳米片。再以葡萄糖为碳前驱体, 对磷酸铁锂纳米片进行炭包覆。通过X射线衍射, N₂吸脱附曲线、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和循环伏安法等测试方法考察了炭包覆量对磷酸铁锂纳米片结构与电化学性能的影响。结果表明, 制备的磷酸铁锂为具有较短b轴的纳米片状结构, 尺寸约为150 nm×100 nm×60 nm。磷酸铁锂纳米片的倍率性能随炭包覆量的增加而增强, 当炭包覆量为6.4wt%时具有最佳的倍率性能, 在0.2C和10C的电流密度下放电容量分别为157.3和132.6 mAh/g。同时循环稳定性良好, 在5C电流密度下循环500次后容量保持率达到了80.2%。     

TiO2/石墨烯复合物的制备及其嵌脱锂行为研究

以钛酸丁酯为TiO₂前驱体, 通过水热法制得TiO₂/石墨烯复合物。使用X射线衍射(XRD)、热重分析(TG)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)和电化学充放电等手段对材料进行了表征和分析。结果表明: TiO₂颗粒均匀地分散在石墨烯的表面, 复合物中石墨烯的含量为24.67%。当该材料用作锂离子电池负极材料时, 在2C的放电倍率下, 首次放电容量为384.35 mAh/g, 循环100次后的放电容量为130.26 mAh/g, 是纯TiO₂电极放电容量的2.93倍。与纯TiO₂电极相比, TiO₂/石墨烯复合物的电荷转移电阻较低。TiO₂/石墨烯复合物具有较好的倍率性能和较高的电化学反应活性。     

石榴石型Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12对Si/C负极表面固体电解质中间相的调控机制研究

硅(Si)负极在充放电过程中巨大的体积变化会导致固态电解质中间相(SEI)破裂和硅颗粒粉化, 进而造成容量快速衰减。本研究报道了一种利用Li_6.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O₁₂(LLZTO)固体电解质调节Si/C负极表面SEI成分的策略。将LLZTO层均匀地涂覆在商用化聚丙烯(PP)隔膜表面, 不仅提高了电解液对隔膜的润湿性, 均匀化锂离子通量, 并且增大了SEI中无机组分的比例, 从而增强Si/C负极的界面稳定性。得益于上述优势, 使用LLZTO修饰的PP隔膜所组装的锂离子电池表现出更为优异的循环稳定性和倍率性能。Li-Si/C半电池的可逆容量为876 mAh·g^-1, 在0.3C (1C=1.5 A·g^-1)的倍率下, 200次循环的容量保持率为81%; 而LFP-Si/C全电池的比容量为125 mAh·g^-1, 在0.3C (1C=170 mA·g^-1)的倍率下循环100次后容量保持率为91.8%。该工作中LLZTO固体电解质调节了Si/C负极表面SEI成分, 为开发高性能硅基锂离子电池提供了新思路。     

基于铁粉还原的LiFePO4/C合成路径及其电化学性能研究

使用还原铁粉作为铁源, 通过超细球磨与喷雾干燥、高温煅烧技术制备了球形微纳米LiFePO₄/C复合材料。使用DSC/TG以及XRD对LiFePO₄/C复合材料的形成过程进行了分析; 使用SEM、穆斯堡谱仪等手段对复合材料进行分析; 使用电化学工作站、容量测试仪对其充放电行为进行分析。研究发现, 使用该合成技术路线, 在500~700℃下能够合成LiFePO₄/C复合材料。获得的LiFePO₄/C复合材料具有规则的球形外貌, 平均尺寸4~5 μm。该微米颗粒由200 nm左右细小颗粒组成, 颗粒间具有纳米尺寸微孔。穆斯堡谱仪测试结果表明, 复合材料中Fe处于+2价的价态。复合材料在1C倍率下表现出稳定的充放电行为, 平均比容量在156 mAh/g, 300次循环后, 容量保持率为92.8%。该技术制备的LiFePO₄/C复合材料具有潜在的应用价值。     

金属铋纳米颗粒原位修饰碳纳米管促进锂均匀沉积

锂金属具有高理论比容量和低电化学电位,是发展高能量密度电池最有吸引力的负极材料之一。然而,锂金属负极在反复的沉积/剥离过程中,不可避免地会出现不规则的锂枝晶生长,这将严重影响锂金属电池的循环寿命和使用安全性。本研究发展了一种简单温和的策略,在碳纳米管上原位修饰铋纳米颗粒,并涂覆在商业铜箔表面用作锂金属负极的集流体。研究表明,原位修饰的铋纳米颗粒可显著促进锂均匀沉积,抑制锂枝晶生长,从而提高锂金属电池的电化学性能。在电流密度为1 mA·cm^–2的条件下,基于Bi@CNT/Cu集流体的锂铜电池循环300圈后库仑效率可稳定在98%。基于Li@Bi@CNT/Cu负极的对称电池可稳定循环1000 h。基于Bi@CNT/Cu集流体的磷酸铁锂(LFP)全电池也获得了优异的电化学性能,在1C(170m A·g^–1)倍率下可稳定循环700圈。本研究为抑制锂金属负极枝晶生长提供了新的思路。