Recent research progress of Li4Ti5O12 as anode materials for lithium-ion batteries

锂离子电池凭借诸多优势广泛应用于便携式电子产品（3C）领域,在电动汽车及可穿戴设备方面具有巨大应用前景,是未来最具潜力的储能电池之一。作为一种锂离子电池负极材料,尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂相比石墨负极具有较高嵌锂电位,且"零应变材料"的特性决定Li₄Ti₅O₁₂材料具有较好的循环稳定性及热稳定性,从而备受关注。本文简要介绍了钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂）的结构和性能,详细阐明了Li₄Ti₅O₁₂的嵌锂机制、制备及改性方法,总结了相应制备及改性方法对Li₄Ti₅O₁₂材料的充放电特性、循环性能等电化学性能的影响,针对Li₄Ti₅O₁₂的胀气产生原因、机制和胀气解决方法进行简单阐述,并对纯电动乘用车的应用前景提出了几点建议。     

Rb掺杂Li4Ti5O12作为锂离子电池负极材料的合成及电化学性能

合成了不同Rb掺杂量的钛酸锂（Li_4-xRb_xTi₅O₁₂; x = 0.010, 0.015, 0.020）作为锂离子电池的负极材料。测试结果显示,Rb离子掺杂有效增强了钛酸锂的电子电导率。相同的测试条件下,相比于未掺杂样品和高Rb含量掺杂样品（x = 0.015, 0.020）,适量的Rb掺杂钛酸锂（Li_3.99Rb_0.01Ti₅O₁₂; x = 0.010）表现出最优的电化学性能。Li_3.99Rb_0.01Ti₅O₁₂材料表现出161.2 mA∙h/g的初始容量,且在1 C下经过1000次循环后容量保持率可达90.9%。此外,全电池Li_3.99Rb_0.01Ti₅O₁₂ // LiFePO₄在0.5 C条件下首次放电容量为144 mA∙h/g,经过150次循环后,容量保持率为78.8%。     

Achieving high performance lithium-O2 battery by introducing a novel urea electrolyte

在锂空气电池中,电解液对电池的充放电过程、放电产物的稳定性以及循环性能有着至关重要的影响。本文利用脲类溶剂1,3-二甲基-2-咪唑啉酮（DMI）作为新型的锂空气电池电解液,有效地增加了放电产物过氧化锂（Li₂O₂）的溶解度,促进其溶剂化,并改善Li₂O₂与正极之间的接触,使得电池性能得到有效提高。通过研究表明,相比较传统的醚类电解液四乙二醇二甲醚（TEGDME）,DMI能将电池放电容量提升1.5倍,而充电过电位则降低了0.6 V,减少了高电位导致的副反应。同时,通过加入氧抑制剂,稳定溶剂中的氧自由基,减少放电中间产物对DMI的攻击,使得电池循环性能得到显著提高。     

锂镧锆氧(LLZO)基固态锂电池界面关键问题研究进展

与目前采用有机电解液的商业化锂离子电池相比,引入固体电解质的固态锂电池在同时提升电池能量密度和安全性方面具有巨大潜力,成为开发下一代锂电池的重点。在众多固体电解质材料中,石榴石型的锂镧锆氧(Li₇La₃Zr₂O₁₂,LLZO)凭借高锂离子电导率、优异的对锂稳定性和宽电化学窗口等优点受到广泛关注。然而,LLZO的引入带来诸多界面之间的突出问题,例如固固界面的物理接触、应力应变、电荷重新排布以及电化学稳定性等。这些问题不仅是影响电池性能的关键因素,而且带来了很多新的物理化学现象需要深入研究。因此,本文从LLZO基固体电解质与电极之间的外部界面和固体电解质及复合电极内部界面两个角度入手,依据本课题组多年的研究积累,结合领域内最新研究动态,详细讨论了：(1)LLZO基固体电解质粉体材料表面碳酸锂(Li₂CO₃)的形成原因、对电化学性能的影响以及克服这一问题的手段;(2)LLZO基固体电解质层内部界面调控对锂离子电导率及电池电化学性能的影响;(3)LLZO/Li界面...     

全钒液流电池提高电解液浓度的研究与应用现状

全钒液流电池电解液为单一钒元素各价态离子的电解质溶液,避免了不同元素离子通过膜渗透产生的交叉污染,电池循环次数高,使用寿命长。全钒液流电池非常适合电站削峰填谷、新能源发电储能和偏远地区供电等。但受钒离子溶解度的限制,全钒液流电池电解液浓度相对较低,导致电池能量密度较低、电解液储罐体积大,钒电池更适用于静态储能系统,而较难应用于电动汽车、电子产品等领域,而电解液成本高也限制了其大规模商业化应用。本工作基于各价态钒离子在不同酸度和温度条件下在传统H₂SO₄溶液中的溶解性能,总结了通过引入添加剂、改变支撑电解质和构建混合相电解液以提高钒电解液浓度和稳定性的方法及研究现状,介绍了不同种类添加剂在高温下稳定V(V)的作用机理,不同酸作为支撑电解质对V的溶解性及电解液电化学性能的影响,以及混合相电解液对于稳定电解液的内在机制。重点分析了最近研究报道的新型高浓度钒电解液,展望了大幅提高钒电解液浓度的可行性及研发方向。综合分析表明,改变传统H₂SO₄支撑电解质,如HCl/H₂SO_4<...     

Preparation,electrochemical performance and phase transition of high voltage LiNi0.5Mn1.5O4 cathode material

尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄因其可在4.7 V高电位下工作并有良好的循环特性,已成为最具潜力的高能量密度锂离子电池正极材料。本文首先采用喷雾干燥辅助烧结法制备了LiNi_0.5Mn_1.5O₄正极材料,考察了热处理条件对材料结构与性能的影响。用XRD、SEM和FT-IR等技术对所制备的LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料的结构和表面形貌进行表征,利用原位XRD技术研究了LiNi_0.5Mn_1.5O₄正极材料在充放电过程中结构相变规律。结果表明,所制备的LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料均具有Fd-3m空间群的立方相尖晶石型结构,并具有优异的电化学性能,其0.1 C时首次放电容量为132 mA·h/g,首轮库仑效率93.48%,高倍率下该材料的电化学性能优越。原位XRD测量结果分析表明,尖晶石型LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料在充电过程中存在4个显著的相变过程,在嵌脱锂过程中,从四面体相向立方相结构相变过程是可逆的。     

钛酸锂基锂离子电池及其健康状态研究进展

锂离子电池的高功率密度和高能量密度等特性使其成为电动汽车能源和新能源电网储能的重要载体。功率性能和安全特性是锂离子电池发展的两个主要挑战。钛酸锂Li₄Ti₅O₁₂材料因具有良好的结构稳定性、安全性能、长循环寿命、高功率特性和高低温放电性能,被认为是锂电池负极材料的良好备选。综述了以钛酸锂材料为负极的锂离子电池的相关工作,介绍了钛酸锂材料的结构、电化学特性、制备方法和作为电池负极材料面临的主要问题,重点介绍了钛酸锂负极电池的全电池性能和健康状态研究等方面。     

Electrochemical thermal stability of the LiFePO4/LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 blend cathode material for lithium ion batteries

为了改善LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂正极材料的电化学热稳定性能,加入LiFePO₄共混制成了LiFePO₄/LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂锂离子电池用混合正极材料。使用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）表征了结构和形貌,测试了电化学性能。结果显示,简单球磨的混合LiFePO₄/LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂正极材料中,纳米LiFePO₄粒子包覆在LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂粒子表面提高了混合正极材料在充放电过程中的电化学稳定性和结构稳定性。LiFePO₄/LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂混合正极材料在50 ℃下循环100周容量保持率为82.0%,明显地优于单一LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂材料的72.9%。     

Ag/Al2O3(Li2O)/g-C3N4光催化乙醇制取环氧乙烷

本文制备了一系列Ag/Al₂O₃(Li₂O)/g-C₃N₄复合催化剂,考察了其可见光催化乙醇制取环氧乙烷的性能。Li₂O可调变Al₂O₃表面的酸性,从而降低了主要副产物乙醛的选择性。Ag/Al₂O₃(Li₂O) 在g-C₃N₄上的负载量对产物环氧乙烷的选择性有较大影响,当Ag/Al₂O₃(Li₂O) 负载量为5wt%时,乙醇具有较高的转换率,且环氧乙烷的选择性高达100%。     

Research progress on lithium based Water-in-salt electrolytes

与传统的商用有机锂离子电池相比,水系锂离子电池具有高安全性、成本低、环境友好等优点,但由于水的热力学窗口较窄（1.23 V）,从而大大限制了其输出电压和能量密度。Water-in-salt电解液的提出将水溶液的电化学窗口拓宽到3.0 V以上,为实现新型高电压水系锂离子电池提供了有利前提保证。本综述意在介绍Water-in-salt电解液及其相关衍生体系以及其在锂离子电池、锂硫电池以及混合离子电池中的相关应用拓展。与此同时,对该新体系中所引出的新的基础科学问题,包括水系固态电解质界面（SEI）膜的生长机理及锂离子的传输机制做了简单归纳和总结。     

芳纶-固态离子导体复合隔膜的制备与性能

采用非溶剂诱导相分离法(NIPS)制备了具有高热稳定性和良好电解液浸润性的芳纶-固态离子导体复合隔膜(PMIA-LATP-PEO)。在复合材料体系中,聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)是绝缘和高温稳定性的基体,具有NASICON型骨架结构的磷酸钛铝锂(LATP)均匀分布于基体之中,用于提高隔膜的离子电导率,聚环氧乙烷(PEO)在制膜过程中起到调节孔径的作用,并可提升与锂金属的界面相容性。采用扫描电子显微镜(SEM)及能谱分析(EDS)观察隔膜形貌及元素分布,DSC和TGA及热收缩方法表征了其热稳定性,电化学技术测试了其离子电导率、锂离子迁移数等电化学性能,并测试了隔膜在LiFePO₄||Li电池中的循环性能和倍率性能。研究结果表明：PMIA-LATP-PEO复合膜具有丰富的立体孔隙结构,在200℃高温下保持尺寸形态稳定,绝缘性可靠。该隔膜的锂离子电导率达2.07×10^-3S/cm(25℃),锂离子迁移数(t_Li+)为0.75。此外,PMIA-PEO-LATP复合膜对锂稳定性好,在Li||Li对称电池中以0.5 m A/cm...     

Preparation and electrochemical performance of MnFe2O4 with porous rod structure based on micro-emulsion synthesis

本工作以硫酸亚铁和乙酸锰为原料,在表面活性剂双（2-乙基己基）琥珀酸酯磺酸钠气溶胶作用下,通过微乳液法合成了前体,锻烧后得到了具有多孔结构的一维棒状MnFe₂O₄材料。棒直径约200 nm、长度2~3 μm,含有大量孔径在13~35 nm的介孔结构。将制备的MnFe₂O₄作为锂离子电池负极材料,进行电化学性能测试,在100 mA/g的电流密度下200圈循环仍能保持630 mA·h/g以上的容量,同时也具有良好的倍率性能。研究显示多孔棒状MnFe₂O₄是一种具有应用前景的锂离子电池负极材料。     

Preparation of spinel LiMn2O4 by supercritical hydrothermal method with heat-treatment

利用超临界水热结合后续煅烧处理的方法制备了锂离子电池正极材料LiMn₂O₄,并详细讨论了超临界水热反应过程中反应压力、反应温度和后续处理煅烧温度对LiMn₂O₄材料晶型、颗粒形貌和电化学性能的影响。实验结果表明,LiMn₂O₄材料在400 ℃、30 MPa下反应15 min,后续经过700 ℃煅烧3 h得到的样品具有结晶度良好、颗粒分布均匀等优点。LiMn₂O₄材料制备的扣式电池表现出优异的电化学性能,0.1 C倍率下初始放电比容量为125 mA·h/g;1 C下循环50周同样表现出良好的电化学性能。     

Al-Y-Zr原位共掺杂提高4.53V钴酸锂正极材料的循环性能

钴酸锂是一种成功实现商业化的锂离子电池正极材料,但其实际的容量远低于其理论容量(274 mAh/g)。提高钴酸锂的充电截止电压能够有效提高其放电容量,但钴酸锂在高压条件下结构不稳定性,导致其循环寿命明显降低。本工作提出一种Al-Y-Zr原位共掺杂的策略,以提高钴酸锂在4.53 V的循环性能。通过将Al-Y-Zr掺杂的Co₃O₄、Li₂CO₃、MgO按一定化学计量比称取并混合均匀后,采用高温固相法合成LiCo₍(1-a-b-c-d))Al_aZr_bY_cMg_dO₂正极材料,并探究了原位共掺杂对高电压钴酸锂循环性能的影响。X射线衍射(XRD)表明掺杂前后晶体均为六方相层状结构,扫描电镜(SEM)说明了掺杂元素对晶体颗粒粒径的调控作用。循环前后的电化学阻抗谱(EIS)表明,Al-Y和Al-Y-Zr共掺杂能有效抑制循环过程中电荷转移阻抗(R_ct)的增长。扣式电...     

Fe3+交联的预包覆Fe3O4纳米粒子改性rGO自支撑膜的储锂性能

本工作采用Fe³⁺对含有氧化石墨烯(graphene oxide,GO)预包覆Fe₃O₄的GO自支撑膜进行改性处理制备Fe³⁺诱导交联的预包覆Fe₃O₄纳米粒子复合热还原型氧化石墨烯自支撑膜(Fe³⁺@Fe₃O₄/r GO)。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等测试手段表征材料组成、结构与形貌,并研究Fe³⁺@Fe₃O₄/r GO自支撑膜作为锂离子电池负极的储锂性能。结果表明球状Fe₃O₄纳米颗粒被GO片层紧密包裹,且经过Fe³⁺诱导交联的Fe³⁺@Fe₃O₄/r GO自支撑膜稳定性显著提高;电化学结果表明,在电流密度为100 m A/g恒...     

适合于太阳能热发电的锰铁锂复合金属氧化物储热特性与热化学反应机理

提出在锰基氧化物中添加Fe₂0₃和Li₂0,构建锰铁锂三元复合金属氧化物,降低热化学储热反应温度,更好地满足新一代太阳能热发电系统需求。实验发现,与Mn₂O₃相比,新生成的Li₂FeMn₃O₈复合氧化物的还原反应初始温度由773℃降低至622℃;还原反应活化能从797.10 kJ/mol降低至132.44kJ/mol;氧化反应由难以进行,变为从590℃开始进行;氧化放热量增至209.40 kJ/kg;经过105次循环后仍保持良好的循环反应稳定性。     

锂电池高比能量正极材料Cr8O21的制备及应用

Cr₈O₂₁具有高比容量、低成本等优点,是一种具有潜在应用前景的锂电池正极材料。但是,Cr₈O₂₁的首次循环不可逆容量大,循环稳定性较差,主要用于一次电池。目前,通常在高压或常压氧气气氛中合成Cr₈O₂₁,制备过程危险且容易生成杂相。本文工作以CrO₃为原料,在空气气氛中通过两步热解法制得了纯相Cr₈O₂₁,考察了其作为锂电池正极材料的电化学性能,并利用X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)初步探索了Cr₈O₂₁的电化学反应机制。研究结果表明,所制备的Cr₈O₂₁在0.1 C倍率下具有高达400.4 mAh/g的初始放电比容量和1218 Wh/kg的比能量;可逆比容量为304.4 mAh/g,100次循环后的可逆容量保持率达88.7%,表现出良好的电化学性能和循环稳定性。Cr₈     

新型锂盐氟代磺酰亚胺锂电解液对锂离子电池性能的影响CSCD

采用新型锂盐双(氟代磺酰)亚胺锂(Li FSI)代替六氟磷酸锂(Li PF_6)作为锂离子电池的电解液锂盐,配制不同浓度的Li FSI/EC+EMC+DMC(质量比1∶1∶1)电解液,用循环伏安、电化学阻抗(EIS)、恒流充放电等实验并结合Li^+迁移数、电导率和黏度等物化参数的测试,研究新型锂盐浓度和电解液物化参数对电池倍率性能的影响。结果表明与同浓度的Li PF_6电解液相比,Li FSI电解液具有更高的离子传导能力和电导率及锂离子迁移数;在0.8~1.6 mol/L的浓度范围内,含Li FSI电解液的电池相对含Li PF_6电解液的电池表现出更好的电化学性能,更适用于高性能锂离子电池;1.2 mol/L为Li FSI电解液的最优浓度,此时其电导率和锂离子迁移数均达到最大值(κ=12.39 ms/cm,t_+=0.6327),制备的锂离子电池电化学阻抗最小,倍率性能最佳。     

锂离子电池正极材料低温性能衰退机理研究

锂离子电池凭借其高能量密度、长循环寿命等突出优势被广泛应用于便携式设备、电动汽车以及大规模储能领域。然而,锂离子电池对外界温度敏感,尤其是在较低的工作温度下,能量密度和功率密度急剧下降,这严重限制了其在寒冷地区的应用。为探究锂离子电池在低温环境下的性能衰减机理,选择磷酸铁锂(LiFePO₄)、钴酸锂(LiCoO₂)、层状三元(LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂)三种商业化正极材料作为研究对象,结合恒流充放电测试、电化学阻抗测试、恒电流间歇滴定技术以及X射线衍射分析和扫描电子显微镜表征技术,全面系统地比较了三种材料在室温(25℃)和低温(-20℃)下的电化学性能。恒流充放电测试结果显示三种正极材料在低温下均会出现比容量明显降低,三元NCM622表现出最佳的低温循环稳定性,在-20℃循环400圈时容量保持率为95.89%。进一步的交流阻抗测试分析和Li⁺扩散速率计算表明,在低温条件下电解液电导率的降低、正极材料电荷转移阻抗的增加和Li...     

Technology review of anode materials for lithium ion batteries

本文综述了目前已经商业化生产的锂离子电池负极材料,主要包括天然石墨,人造石墨,硬碳,软碳,Li₄Ti₅O₁₂材料,硅基材料等.详细阐述了这些负极材料的优缺点,并对它们的性能优劣进行了对比,给出了各自具有代表性的充放电曲线.概述了各类负极材料目前的国内外市场状况,并对未来几年锂离子电池负极材料市场的发展趋势进行了预估.介绍了各类负极材料的产业化现状,包括主流生产工艺,产品应用领域,行业领先企业等,总结了各类负极材料,尤其是天然石墨和人造石墨在中国的早期研发历史,并整理了各类负极材料在国内最早发表的文章和专利.最后概述了目前整个锂离子电池负极材料行业存在的一些问题,讨论了目前锂离子电池负极材料的发展思路,并展望了未来的技术发展趋势.