ZrO2/B2O3双包覆单晶高镍材料及锂电池性能研究

开发高能量密度、低成本、高安全性和可持续的材料体系,对于锂电池的高质量发展具有重要意义。高镍三元正极材料具有质量能量密度高、倍率性能好、钴含量较低的优点,是长续航动力锂电池的首选,但其存在压实密度低、表面残碱高、高温循环易产气的问题。本文通过采用在不同温度下进行梯次包覆的方法,制备出ZrO₂/B₂O₃双组分包覆的单晶高镍材料（ZrO₂/B₂O₃@SCHN）。同时,对ZrO₂/B₂O₃双包覆单晶高镍材料及其锂电池性能进行了研究。研究结果表明：ZrO₂/B₂O₃@SCHN材料单一颗粒形貌明显,具有良好的层状晶体结构;ZrO₂/B₂O₃@SCHN锂离子软包电芯在45 ℃循环1500次后容量保持率高达85%,此外ZrO₂/B₂O₃@SCHN电芯通过热箱测试（130 ℃,30 min）后未发生破裂、冒烟、着火和爆炸等现象,表现出优异的热安全性。该研究为进一步改善单晶高镍材料的性能提供可靠的实验探索,为高能量密度长循环锂离子电池的研发提供参考。     

Nb掺杂改性LiNiO2正极材料的制备及电化学性能研究

高镍层状氧化物LiNiO₂具有高理论比容量和相对低廉价格,被认为是下一代锂离子动力电池的正极材料之一。当LiNiO₂正极材料应用于锂离子电池时,其循环稳定性无法满足要求,需经改性后才能得以应用。采用固相法合成了Nb掺杂的层状LiNi_1-xNb_xO₂（x=0.005、0.01、0.015）正极材料,利用X射线衍射、扫描电子显微镜和X射线能谱等测试手段,分析了Nb掺杂量（摩尔百分比）对其晶体结构、微观形貌及元素分布的影响,并通过恒电流间歇滴定和交流阻抗测试研究了其电化学性能。结果表明,随着Nb元素掺杂量的提高,LiNi_1-xNb_xO₂材料的晶格晶面间距逐渐扩大,一次颗粒尺寸逐渐减小。在LiNiO₂材料中引入Nb⁵⁺离子,提高了LiNi_1-xNb_xO₂材料的锂离子扩散系数,并通过稳定晶体结构,抑制了Nb掺杂材料在充放电过程中的相变,有利于其电化学性能的提升。当Nb掺杂量为1%时,LiNi_1-xNb_xO₂材料表现出较好的倍率性能,在10 C大电流密度下的放电比容量高达134.1 mAh?g^-1;随着Nb掺杂量的增加,LiNi_1-xNb_xO₂材料循环稳定性同步提升,当Nb掺杂量为1.5%时,LiNi_1-xNb_xO₂材料经150次循环后的容量保持率为73.3%,远高于未掺杂LiNiO₂样品的36.2%。表明,Nb掺杂可改善LiNiO₂正极材料的晶体结构和电化学性能,为其在下一代锂离子动力电池的应用提供了理论依据。     

锂金属专刊 废旧动力锂离子电池中LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料的回收与再利用

通过碱液浸出法对废旧动力锂离子电池中的LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂正极材料进行处理,在NaOH浓度为0.5 mol/L、固液比为0.1 g/mL条件下,25 ℃超声15 min,浸出率可达100 %。将浸出物料通过共沉淀法,控制陈化时间分别为16、20和24 h制备新NCM523正极材料。当陈化时间为20 h时,SEM结果表明所制备出的材料形貌呈类球型,表面最为光滑。XRD精修数据显示其锂镍混排值最低,为3.21 %。将其组装成扣式电池后,在0.1 C下首次放电比容量为153.1 mAh/g,库伦效率为83.49 %。在2.0 C下循环50圈后,放电比容量为120.4 mAh/g,容量保持率为89.9 %。     

Zn取代对尖晶石Li2MnTi3O8负极材料微观结构及电化学性能的影响

采用溶胶-凝胶结合固相烧结的方法制备了具有复杂尖晶石结构(空间群为P4332)的Li₂Mn_1-xZn_xTi₃O₈(x=0,0.1,0.5)负极材料。研究了Zn部分取代Mn对Li₂MnTi₃O₈材料微观结构及电化学性能的影响。结果显示,Zn取代之后,Li₂MnTi₃O₈材料的晶胞体积以及晶粒尺寸有明显的降低,然而颗粒大小却没有显著的变化。电化学测试结果表明,Zn取代对改善Li₂MnTi₃O₈材料电化学性能非常有利,在0.1C倍率条件下进行充放电, 50次充放电循环之后,Zn取代之后的材料放电容量为269mAh/g(Li₂Mn_0.9Zn_0.1Ti₃O₈),298mAh/g(Li₂Mn_0.5Zn_0.5Ti₃O₈),且都在第一次循环之后表现出优异的循环稳定性。在1C倍率条件下充放电36次,材料的放电容量得到了显著提高,并且在一定程度上提高了材料的循环稳定性。     

LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2表面包覆TiO2改性研究

为进一步改善LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂(NCM622)一次物料性能,采用简便易行的干法包覆方式,主要研究了TiO₂包覆量一定的情况下热处理温度、保温时间对正极材料的物理指标,以及容量、倍率、循环寿命和存储等电性能的影响。X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、扣式电池、全电池等测试分析表明,材料表面有明显的包覆物,但无新物相生成。当热处理温度为500℃、保温时间为12h时,所制备NCM622材料在3.0～4.3V电压范围0.1C放电容量为181.2mAh/g,比未包覆材料提高了2.6mAh/g;在3.0～4.4V电压范围45℃下1C充放80周,循环保持率由未包覆的95%提升至97.2%。包覆物消耗了材料表面的残碱,减缓了电解液的侵蚀,从而改善了材料的循环寿命和存储性能。包覆前后的材料分别做成600mAh的小软包电池,60℃时放置7天后材料鼓胀率由8.3%降低到4.5%;容量保持率和容量恢复率分别由89.1%、94.3%提升到90.2%、98.3%。     

具有高效光催化析氢和污染物降解性能的三维多孔V2O5/g-C3N4制备

面对能源日益短缺和水环境污染问题,开发高性能催化剂用于光催化析氢和污染物降解具有重要意义。采用热聚合法制备复合催化剂V₂O₅/g-C₃N₄,测试结果表明该复合催化剂具备稳定的三维多孔结构,比表面积大,表面活性位点多。V₂O₅负载可以增强g-C₃N₄的光吸收能力,促进光生电荷的分离转移,进而提高其光催化活性。在可见光照射下V₂O₅/g-C₃N₄具有优异的产氢活性和较高的光催化降解RhB性能,其析氢活性为1.38 mmol?g^-1?h^-1,降解RhB性能为96.85%。通过活性粒子捕获实验探究了催化过程中RhB的降解机制,结果表明在RhB的光催化降解过程中超氧自由基起着至关重要的作用。该研究对制备高活性的可见光响应催化剂具有指导意义。     

无钴富锂锰基正极材料Li1.2Ni0.2Mn0.6O2的表面改性及电化学性能研究

无钴富锂锰基正极材料Li_1.2Ni_0.2Mn_0.6O₂因高比容量、低成本等优点备受关注,是极具潜力的下一代锂离子电池正极材料。然而,Li_1.2Ni_0.2Mn_0.6O₂材料存在首次库伦效率低、倍率性能差及容量衰减等问题,限制了其进一步发展。为解决此问题,采用柠檬酸溶液表面处理结合再重新煅烧方法,通过在其表面包覆一层尖晶石相,对Li_1.2Ni_0.2Mn_0.6O₂开展了表面改性研究,并对改性前后样品进行物理表征和电化学测试分析。结果表明,改性前后的Li_1.2Ni_0.2Mn_0.6O₂正极材料,形貌基本一致,均为尺寸100—400 nm的不规则颗粒,改性后的粉末颗粒边缘略有不平整。使用柠檬酸溶液表面处理后,Li_1.2Ni_0.2Mn_0.6O₂材料形成了內部为层状相、表面为尖晶石相的结构。尖晶石相的存在不仅为锂离子扩散提供了三维离子扩散通道、提高倍率性能,还可充当正极材料表面与电解液间的保护层,提高首次库伦效率,改善循环性能。改性后的Li_1.2Ni_0.2Mn_0.6O₂的首次库伦效率为92. 4%,可逆比容量为292 mAh?g^-1, 与改性前相比分别提高了13.8%和22 mAh?g^-1,并且在不同倍率下的可逆比容量和长循环容量保持率均有明显提升,表明其具有更好的倍率性能和更优的循环稳定性能。本研究提出了一种无钴富锂锰基正极材料表面改性方法,该改性方法操作简单、效果明显,可应用于不同组分的富锂正极材料,为富锂锰基正极材料的进一步发展提供了新的思路 。     

三维Co2Mn3Ox纳米薄膜的制备及电化学储能特性

泡沫镍的良好导电性及多孔的三维骨架结构有助于电子传输和电解液接触。以泡沫镍为模板,采用水热合成法制备三维Co₂Mn₃O_x纳米薄膜,并对其作为超级电容器电极材料的电化学储能特性进行了实验研究。结果表明：在泡沫镍表面可控合成了超薄的三维Co₂Mn₃O_x纳米薄膜,该薄膜由超小的纳米颗粒组成,并具有一定的多孔结构;合成的三维Co₂Mn₃O_x纳米薄膜作为超级电容器电极材料表现出了优异的储能特性,如在电流密度为5 A?g^-1下具有1092.5 F?g^-1的比电容,恒流充放电循环1000次后电容保留率高达89.1%。此外,以Co₂Mn₃O_x纳米薄膜为正极材料,活性碳为负极材料,组装的非对称超级电容器表现出高的能量密度、高的功率密度以及良好的循环稳定性。该研究丰富了自支撑、无粘结剂、高储能特性的赝电容超级电容器电极材料种类,为电化学储能薄膜材料的设计提供了思路。     

纳米晶粒硬质合金磨削加工表面质量实验研究

以乙酸盐为原料,通过一步微波法烧结制备出了镍钴锰酸锂LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂正极材料,研究了烧结温度、保温时间对材料结构形貌以及电化学性能的影响。结果表明,在900℃保温4h所制备的正极材料以0.2 C倍率,2.75-4.3 V电压平台下首次放电容量为156 mAh/g,经过30圈充放电循环后,容量为141.65 mAh/g,容量保持率为94.2%;在电流密度0.5 C和1 C条件下,经过30次循环后容量保持率分别为91.2%、89.02%。     

室温铁磁性四方超结构Sr3ErCo4O10.5+δ多晶的制备及电磁输运性能研究

采用固相反应法制备室温铁磁性四方超结构Sr₃ErCo₄O_10.5+δ多晶。用XRD、SEM表征1025-1200 ℃内7个不同烧结温度制备的多晶样品的结构及断面形貌, 1025 ℃时,Sr₃ErCo₄O_10.5多晶结晶完成,出现杂相Er₂O₃;随烧结温度提高, (103) (215)超结构峰强度增大,杂相逐渐减少,Sr₃ErCo₄O_10.5+δ晶粒长大、气孔减少、晶格完整性提高;1160 ℃时,超结构峰强度最高,杂相完全消失,有序化程度最好;随烧结温度继续提高,超结构峰强度降低,有序化程度减弱,颗粒表面出现Er₂O₃;TG-DSC表明多晶在1025-1200℃吸氧(δ)并逐步完成有序化,碘滴定进一步确定多晶氧化学计量比随烧结温度升高而增大。在1160℃制备多晶,300K电阻率～0.09 Ω.cm;多晶铁磁-顺磁转变温度(T_c)为332 K;M-H曲线进一步证明多晶具有室温铁磁性,并在332K时发生顺磁-铁磁转变。     

V_2O_5直接制备氮化钒铁过程研究

针对V_2O_5直接制备氮化钒铁工艺,采用TG-DSC和扫描电子显微镜(SEM)表征分析了体系反应过程及微观组织与元素分布,并分析了各影响因素对产物含氮量的影响。结果表明,670℃左右,碳还原V_2O_5的反应开始显著发生,1 000℃以上时,碳化反应开始发生,温度达1 200℃左右,开始出现氮化反应。反应温度、保温时间和配碳系数等因素对氮化钒铁含氮量均有较明显的影响。较适宜的制备工艺参数为:高温反应温度1 400℃、保温2h、配碳系数0.35,在该条件下制得的氮化钒铁含氮量可达11.26%,合金中其它元素含量分别为钒46.31%、铁36.87%、碳1.21%、硅1.98%、铝1.94%,符合GB/T30896-2014标准。SEM结果表明,利用V_2O_5直接制备氮化钒铁,铁主要以夹杂形式均匀分布在氮化钒铁主相间,且氮、钒、铁三种主元素的分布较均匀。     

SiCf/SiC复材表面Sc2O3-Y2O3-ZrO2基梯度可磨耗涂层设计及性能研究

SiC_f/SiC陶瓷基复合材料是未来航空发动机重要材料之一,其表面涂层是保护SiC_f/SiC陶瓷基复合材料关键技术。针对陶瓷基复材表面的Sc₂O₃-Y₂O₃-ZrO₂基可磨耗涂层与EBC涂层结合力不够高、应力匹配性差等问题,开展Sc₂O₃-Y₂O₃-ZrO₂基梯度可磨耗涂层设计、制备与考核技术研究,并且与非梯度可磨耗涂层进行性能对比。研究结果表明:梯度可磨耗涂层比非梯度可磨耗涂层结合强度提高了6.7%;在(1 250±50)℃高温冲击1 000次后,梯度可磨耗涂层剥落面积仅为非梯度可磨耗涂层剥落面积的1/6。因此,梯度可磨耗涂层具有更好的力学性能,有望在未来航空发动机中得到广泛应用。     

复合絮凝剂在四氧化三锰工业污水处理中的应用

研究了用聚合氯化铝和聚丙烯酰胺复合絮凝剂处理四氧化三锰工业污水,考察了絮凝剂PAC加入量、助凝剂PAM加入量和加入时间对四氧化三锰工业污水絮凝效果的影响。试验结果表明：实验室过程中,在PAC加入量5 mg/L,PAM加入量0.6 mg/L,PAM在PAC加入后30 s加入条件下,复合絮凝剂的絮凝效果最好,浊度去除率可达94.8%,达到了工业污水排放的国家标准。还对复合絮凝剂在工业污水处理应用中应注意的问题进行了简要分析。     

MoS2/In2Se3异质结电子结构与光电性质研究

二维材料异质结可以利用各组份二维材料的优异物理性质,实现按需设计制备新型的功能器件。通过构建二维半导体材料MoS₂与二维铁电材料In₂Se₃的异质结,研究了铁电极化对异质结的能带结构、电荷转移、压电系数及光电响应的影响。结果发现:当极化方向沿着从MoS₂指向In₂Se₃方向时,异质结能量更低、结构更稳定、电荷转移更多、能带带隙也更小;相比于面内应变对异质结带隙产生的微弱影响,利用极化方向的翻转可有效地调控异质结的带隙,实现从Ⅰ型能带对齐到Ⅱ型能带对齐;针对最稳定的异质结结构,发现压电系数e₃₁相比于单层In₂Se₃提升了24倍。通过实验采用干法转移制备出MoS₂/In₂Se₃异质结,利用拉曼光谱与光致发光光谱对其光电特性进行表征,发现异质结区保留着各自组份材料的拉曼特征峰与激子峰信号,相比于单独的In₂S...     

(Cr,Fe)7C3颗粒原位自生的Fe3Al基金属陶瓷涂层磨损行为

制备研究了一种以Fe₃Al金属间化合物为基相,原位自生(Cr, Fe)₇C₃颗粒为陶瓷相的新型低成本金属陶瓷涂层及其摩擦磨损性能。通过投料成分的精准设计,采用真空冶金+堕气雾化的冶金方法直接制备了(Cr, Fe)₇C₃/Fe₃Al新型复合粉末,获得碳化物原位自生于Fe₃Al基相且呈弥散分布的(Cr, Fe)₇C₃/Fe₃Al金属陶瓷涂层原料;采用超音速火焰喷涂(HVOF)制备(Cr, Fe)₇C₃/Fe₃Al涂层,并通过销-盘往复干摩擦磨损实验,研究了具有原位自生(Cr, Fe)₇C₃颗粒弥散强化的(Cr, Fe)₇C₃/Fe₃Al金属陶瓷涂层在室温及400℃下的耐摩擦磨损性能。结果表明：(Cr,...     

Ce含量对Ti/IrO_2-SiO_2-CeO_2电极电催化性能的影响

为降低析氧电位,改善电极表面形貌,制备电催化性能良好的Ti基IrSi电极,在煅烧温度为450℃条件下,采用热分解法制备了不同Ce含量的Ti/IrO_2+SiO_2+CeO_2氧化物电极,采用SEM对电极的表观形貌进行表征,采用循环伏安曲线、析氧极化曲线及交流阻抗图谱对电极的电催化性能进行表征。结果表明,添加适量Ce可使晶粒分散均匀,裂纹数目增多,电极表面变得平坦、致密、均匀,同时析氧电位降低,孔隙率增加,电催化活性大大提高。但过量Ce又会对电极电催化性能产生不利影响,Ce含量达到10%时,裂纹数量最多且分布均匀,涂层形貌良好,析氧电位达到最低,为1.23V,电催化性能达到最佳。