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。     

Microstructure and energy storage properties of Li1.2[Mn0.52-0.5xNi0.20-0.5xCo0.08+x]O2 cathode materials

以碳酸钠为沉淀剂,乳酸钠为络合剂合成碳酸盐前驱体,950℃烧结制备了Li_1.2[Mn_0.52-0.5xNi_0.20-0.5xCo_0.08+x]O₂（x=0, 0.02, 0.04, 0.06）系列材料,探讨元素含量变化对材料的结构、形貌、充放电性能的影响。研究结果表明：随着x的增大,材料的晶格常数c/a比值增加,层状结构更加完整。当x=0.02时,该材料的充放电性能最优,其首次放电容量为261.0 mA·h/g,0.5C下循环100次后的放电容量仍有189.9 mA·h/g,容量保持率高达98.85%,2C倍率下放电容量最高达到157.6 mA·h/g。进一步增大x值时,由于Co含量的上升,使得更多的Co^3+/4+ 2g轨道与O^2- 2p轨道发生带隙重叠,从而使得材料的比容量和循环性能下降。     

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。     

铜基底上无黏结剂Co3V2O8多孔纳米片阵列的制备以及锂离子电池性能研究

直接在铜基底上生长具有不同金属离子的多孔过渡金属氧化物,成为有前途的锂离子电池电极材料的候选。本文提出了一种简便可行的低温水热沉积方法在铜基底上制备前驱物阵列。前驱物经过煅烧处理得到具有多孔特性Co₃V₂O₈纳米片阵列,多孔纳米片阵列用作锂离子电池负极材料显示出了长期循环稳定性和高倍率性能。在1.0 A/g电流密度下,电池经过240次循环后显示出1 010 mA∙h/g的容量;在3.0 A/g的电流密度下,电池循环600次后显示出552 mA∙h/g的可逆容量。     

低成本无氟水系混合溶剂醋酸锂电解液研究

利用共溶剂1,5-戊二醇(PD)和聚乙二醇(PEG)改进13 m(m=[mol盐]/[kg溶剂]质量摩尔浓度)Li OAc作为水系锂离子电池电解液的电化学稳定窗口,研制低成本无氟水系混合溶剂醋酸锂电解液。通过红外吸收和拉曼散射光谱对电解液中水分子的活性进行表征,结果表明,在混合溶剂电解液中水分子的活性受到抑制。电化学测试表明电解液成分为2 m Li OAcPD_0.5PEG_0.5时,具有最宽的电化学稳定窗口3.10 V,使Li₄Ti₅O₁₂负极可进行可逆充放电,最后Li₄Ti₅O₁₂//Li Mn₂O₄全电池测试得到初始平台电压为2.3 V,能量密度为0.0616 k Wh/kg,相较于13 m Li OAc电解液具有更高的比容量和循环稳定性。     

Al2O3/SiOxNy/SiNx叠层钝化膜对PERC太阳电池性能及LID效应的研究

由于等离子体增强化学的气相沉积（PECVD）法制备的SiO_xN_y薄膜中含有大量H原子,因而具有优异的表面钝化性能。通过在PERC太阳电池的Al₂O₃/SiN_x背钝化叠层中间插入一层SiO_xN_y薄膜,形成Al₂O₃/SiO_xN_y/SiN_x结构,可避免SiN_x所带的固定正电荷对Al₂O₃负电荷场钝化效应的负面影响。试验结果表明,硅片少子寿命从原来的130 μs提高至162 μs,电池转换效率增加0.09%。同时,基于Al₂O₃/SiO_xN_y/SiN_x背钝化的PERC太阳电池的LID也得到了改善,由对照组的1.83%下降到实验组的1.09%。     

电活性双酚A的合成及其锂离子电池防过充性能研究

对双酚A进行结构修饰,经甲醚化、氰基取代,设计合成了2,2-双-(4-(β-氰基乙氧基)苯基)丙烷（DBDCN）、2-(4-(β-氰基乙氧基)苯基)-2'-(4-甲氧基苯基)丙烷（DBMCN）和2,2-双-(4-甲氧基苯基)丙烷（DBMB）,将三种化合物作为锂离子电池的防过充添加剂开展研究。在锂离子电池电解液1 mol/L LiPF₆/[碳酸乙烯酯（EC）+ 碳酸二乙酯（DEC） + 碳酸甲乙酯（EMC） （1∶1∶1,体积比）]中分别添加0.1 mol/L的DBDCN、DBMB和DBMCN,采用循环伏安、过充测试、电化学阻抗、恒流充放电和扫描电子显微镜等手段研究DBDCN、DBMB和DBMCN的防过充性能,并探讨添加剂与正极材料LiFePO₄的相容性。这些化合物的氧化还原电位均为4.1 V,显著提高了电池的过充保护。100%过充测试和5 V截止电压测试结果表明,DBMB的防过充性能明显优于DBDCN和DBMCN。以0.5 C倍率电流循环100圈,基础电解液和分别添加0.1 M DBDCN、DBMB、DBMCN的电池放电比容量分别为134.5 mA∙h/g、135.3 mA∙h/g、132.8 mA∙h/g和127.0 mA∙h/g,容量保持率分别为87.7%、87.0%、89.5%和84.3%。结果表明,DBMB对电池防过充作用最明显。     

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%。     

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。     

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...     

有机溶剂浸泡法回收再利用锂离子电池钛酸锂负极材料

利用有机溶剂法回收了废旧锂离子电池中的钛酸锂负极材料,并对回收的钛酸锂材料的结构、形貌和电化学性能进行了测试。XRD结果表明,材料除炭后添加适量锂源进一步合成得到的产物具有尖晶石结构,且不含其他的杂质。SEM图像显示,其颗粒分布均匀、无团聚现象。EIS结果表明,最终回收的钛酸锂电极材料比未添加锂源进行煅烧处理的材料具有较小的电荷转移阻抗和较高的锂离子扩散系数。在0.1 C倍率下,经过100次循环后其容量保持率为92.4%,具有优异的循环稳定性和可逆性,可以实现循环利用。     

The cycle life investigation for spinel LiNi0.5Mn1.5O4 full cells

分别以石墨和钛酸锂为负极活性物质,制备了尖晶石镍锰酸锂的32131型圆柱锂离子电池.石墨负极电池和钛酸锂负极电池容量分别为7.5 A·h和5.5 A·h,质量能量密度分别达到152 W·h/kg和81 W·h/kg.常温充放电循环测试结果表明,石墨和钛酸锂两种负极体系电池循环寿命将分别达到400次和1000次,这种循环寿命的差别主要体现在负极上,即正极材料中溶解的Mn在石墨负极表面沉积并持续催化SEI膜生成,减少了电池中可使用的活性Li⁺,进而导致电池寿命快速衰减;相比而言,钛酸锂负极表面不存在明显SEI,同时正极过量设计电池也使得钛酸锂体系电池的镍锰酸锂与电解液间的界面副反应低于石墨体系的负极过量设计电池.     

Layered alkali titanates (A2TinO2n+1): possible uses for energy/environment issues

Uses of layered alkali titanates (A₂Ti_nO_2n+1; Na₂Ti₃O₇, K₂Ti₄O₉, and Cs₂Ti₅O₁₁) for energy and environmental issues are summarized. Layered alkali titanates of various structural types and compositions are regarded as a class of nanostructured materials based on titanium oxide frameworks. If compared with commonly known titanium dioxides (anatase and rutile), materials design based on layered alkali titanates is quite versatile due to the unique structure (nanosheet) and morphological characters (anisotropic particle shape). Recent development of various synthetic methods (solid-state reaction, flux method, and hydrothermal reaction) for controlling the particle shape and size of layered alkali titanates are discussed. The ion exchange ability of layered alkali titanate is used for the collection of metal ions from water as well as a way of their functionalization. These possible materials design made layered alkali titanates promising for energy (including catalysis, photocatalysts, and battery) and environmental (metal ion concentration from aqueous environments) applications.     

Facile controlled synthesis of hierarchically structured mesoporous Li4Ti5O12/C/rGO composites as high-performance anode of lithium-ion batteries

In this paper, a facile strategy is proposed to controllably synthesize mesoporous Li₄Ti₅O₁₂/C nanocomposite embedded in graphene matrix as lithium-ion battery anode via the co-assembly of Li₄Ti₅O₁₂ (LTO) precursor, GO, and phenolic resin. The obtained composites, which consists of a LTO core, a phenolic-resin-based carbon shell, and a porous frame constructed by rGO, can be denoted as LTO/C/rGO and presents a hierarchical structure. Owing to the advantages of the hierarchical structure, including a high surface area and a high electric conductivity, the mesoporous LTO/C/rGO composite exhibits a greatly improved rate capability as the anode material in contrast to the conventional LTO electrode.     

Effect of conductive additives on electrochemical performance of Li4Ti5O12 in hybrid capacitor

将添加不同导电剂的钛酸锂负极与活性炭正极组装成混合电容器,研究了不同导电剂对混合电容器性能的影响。利用扫描电子显微镜表征了钛酸锂负极的表面形貌,采用LAND测试仪、电化学工作站对混合电容器的电化学性能进行测试分析,最终确定最佳的导电剂类型。实验表明,以super-P/VGCF为导电剂的混合电容器具有最佳的电化学特性,在0.1 A/g条件下,电容器的比容量达到45.4 F/g,在2 A/g时容量保持率为91.5%;在0.5 A/g条件下,经过10000次循环后,容量保持率为93.2%。