锂离子电池富镍正极基础科学问题:晶粒形态及组装方式调控

晶粒辐射状组装的富镍正极具有较常规无序多晶更优的断裂韧性和Li+扩散速率,是快充长寿命锂离子电池理想的正极材料。近年来,部分研究者报道了系列富镍正极晶粒形态及组装方式调控研究进展,所开发的辐射状富镍正极性能优异,代表着全球顶尖水平,且相关技术应用于韩国电池巨头LG化学。然而,高度辐射状富镍正极材料的合成在国内尚处于起步阶段,且尚无合成辐射状富镍正极所需晶粒形态及组装方式调控的系统阐述。本文首先介绍富镍正极晶粒形态及组装方式调控的必要性;再综述了晶粒辐射状富镍正极所需前驱体沉淀结晶与其受控锂化的研究进展,并对沉淀及高温煅烧结晶调控晶粒形态及组装方式所涉及机制进行了分析,以期为国内相关专业人员开发高端富镍正极材料提供参考。     

锂离子电池富镍正极材料基础科学问题:表面残锂及其去除

层状富Ni正极材料具有高可逆容量、低自放电性能和低成本优势,被认为是最有潜力的Li+电池正极材料.然而,材料结构不稳定、容量衰退和安全性差等问题,阻碍了富Ni正极材料的实际应用.当Ni含量大于80％时,富镍正极易与空气中的水分和CO2反应,在材料表面生成Li2CO3、LiHCO3、 LiOH等残Li化合物.残Li存在不...     

锂离子电池富锂锰正极材料的最新进展

富锂锰正极材料(Li-rich manganese cathode material,LMCM)因高比容量(>250 mAh·g^-1)、低成本等优势,被视为最具前景的下一代锂离子电池正极材料。然而,该正极材料在循环过程中存在不可逆的结构转变等问题,造成首次不可逆容量损失高、倍率性能差、能量衰减和电压衰减等问题。通过体掺杂、表面包覆和结构优化设计等策略可一定程度上改善LMCM存在的以上问题。本文重点介绍LMCM存在的问题及改性研究工作,分析LMCM存在的问题及起因,详细阐述目前主要改性方法的研究现状,并讨论各种改性方法的优缺点及今后的重点研究方向。此外,本文还分析目前LMCM材料产业化进展和面临的主要挑战。由于自身存在的问题和配套材料发展缓慢,目前仅在部分企业实现小批量生产。     

高密度锂离子电池正极材料LiCoO2前驱体的制备

用化学沉淀法(CP)合成出了锂离子电池正极材料前驱体.研究了干燥方式、反应物浓度、滤饼含水量等因素对前驱体组成及振实密度的影响.结果表明,干燥方式以及滤饼的含水量和NaOH浓度对产物的振实密度影响最大.最佳条件下可以得到振实密度为1.92g/cm2的产物.用此前驱体和LiNO3-LiOH低共熔盐制得的产物LiCoO2振实密度达到2.95g/cm3,高于球形LiCoO2(2.8g/cm3)正极材料.用此前驱体制得的LiCoO2正极材料I003/I104达到26.65,首次充放电比容量为157和151mAh/g.     

锂离子电池镍系正极材料的热稳定性研究进展

镍酸锂作为高性能、低成本的锂离子电池正极材料已倍受关注.但存在一些实用化的困难,热稳定性差即是主要的因素之一.本文综述了镍酸锂材料在全锂或电化学脱锂状态下的热行为和热分解机理的最新研究进展;概述了以解决镍酸锂用作锂离子电池正极材料的热稳定性问题所进行的各种改性研究情况.     

锂离子电池正极梯度材料的制备及电性能研究

采用金属离子混合硫酸盐溶液分次共沉淀法制备前躯体,混锂后通过高温固相反应得到具有镍、钴和锰浓度梯度的层状LiNi0.56Co0.22Mn0.22O2锂离子电池正极材料。通过x射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及恒电流充放电测试对合成的材料进行了表征。结果表明,750～900℃焙烧15h下合成的产物均具有典型的α-NaFeO2型层状结构特征,晶型结构完整,粒度均匀。800℃合成的正极材料具有较好的电化学性能。在充放电倍率0.4C、2.75-4.2V电压范围内,材料的首次充放电比容量分别为170.0mAh/g和131.8mAh/g,放电效率为77.5%;第51次循环的充放电比容量分别为131.3mAh/g和130.5mAh/g,放电效率为99.4%,容量保持率达到99.0%。     

层状镍基锂离子电池正极材料的改性研究

详细阐述了国内外关于层状LiNiO2正极材料的改性研究进展,并对体相掺杂和表面包覆改性层状LiNiO2正极材料电化学性能提高的机理进行了讨论,最后对层状LiNiO2正极材料今后的发展方向进行了展望。     

富锂型锂离子电池正极材料的合成及性能研究

以LiAc·2H2O、Mn(Ac)2·4H2O、Ni(Ac)2·4H2O为原料,采用水溶液法合成锂离子电池正极材料LiNi0.5Mn0.5O2和Li1.2Ni0.3Mn0.5O2。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对所得样品的结构和形貌进行表征,并测试了该材料的电化学性能。结果表明,样品LiNi0.5Mn0.5O2首次放电比容量能达到125.6mAh/g,经过30周循环以后,放电比容量为111.2mAh/g,容量保持率为96.2%;而富锂样品Li1.2Ni0.3Mn0.5O2首次放电比容量能达到187.2mAh/g,经过30周循环以后放电比容量为184.5mAh/g,容量保持率为98.6%,远高于富锂前样品。另外,富锂后的样品Li1.2Ni0.3Mn0.5O2倍率性能优于富锂前。     

新一代高比能量锂离子电池富锂氧化物正极材料的研究进展

富锂氧化物xLi_2MnO_3·(1-x)LiMO_2(M为Co、Ni、Mn等)的比容量可达250~300mAh/g,是高比能量锂离子电池正极材料的首选之一。介绍了材料的晶体结构、嵌/脱锂机制和充放电过程中发生的结构相变,分析讨论了材料出现首次不可逆容量大、电压和容量衰减快、倍率性能和低温性能较差等问题的原因,阐述了材料的合成方法及改性技术,如表面包覆、离子掺杂、形貌和晶面调控以及合成层状相-尖晶石相共生结构的异质材料等。最后从基础研究和应用研究两个方面展望了富锂氧化物材料的发展前景。     

锂离子电池富锂锰基正极材料的研究进展

富锂锰基正极材料xLi2MnO3·(1-x)LiMO2具有高比容量(200~300mAh/g),能很好地满足锂电池在小型电子产品和电动汽车等领域的使用要求,是最具潜力的下一代动力锂离子电池正极材料。介绍了富锂锰基正极材料xLi2MnO3·(1-x)LiMO2的结构特征及其充放电机理;总结了这类材料的合成方法以及改性方法;揭示了该材料的研究现状和亟待解决的问题;并展望了其今后的发展方向。     

Facile preparation of core@shell and concentration-gradient spinel particles for Li-ion battery cathode materials

Abstract

Core@shell and concentration-gradient particles have attracted much attention as improved cathodes for Li-ion batteries (LIBs). However, most of their preparation routes have employed a precisely-controlled co-precipitation method. Here, we report a facile preparation route of core@shell and concentration-gradient spinel particles by dry powder processing. The core@shell particles composed of the MnO₂ core and the Li(Ni,Mn)₂O₄ spinel shell are prepared by mechanical treatment using an attrition-type mill, whereas the concentration-gradient spinel particles with an average composition of LiNi_0.32Mn_1.68O₄ are produced by calcination of their core@shell particles as a precursor. The concentration-gradient LiNi_0.32Mn_1.68O₄ spinel cathode exhibits the high discharge capacity of 135.3 mA h g^?1, the wide-range plateau at a high voltage of 4.7 V and the cyclability with a capacity retention of 99.4% after 20 cycles. Thus, the facile preparation route of the core@shell and concentration-gradient particles may provide a new opportunity for the discovery and investigation of functional materials as well as for the cathode materials for LIBs.     

Facile preparation of core@shell and concentration-gradient spinel particles for Li-ion battery cathode materials

Core@shell and concentration-gradient particles have attracted much attention as improved cathodes for Li-ion batteries (LIBs). However, most of their preparation routes have employed a precisely-controlled co-precipitation method. Here, we report a facile preparation route of core@shell and concentration-gradient spinel particles by dry powder processing. The core@shell particles composed of the MnO₂ core and the Li(Ni,Mn)₂O₄ spinel shell are prepared by mechanical treatment using an attrition-type mill, whereas the concentration-gradient spinel particles with an average composition of LiNi_0.32Mn_1.68O₄ are produced by calcination of their core@shell particles as a precursor. The concentration-gradient LiNi_0.32Mn_1.68O₄ spinel cathode exhibits the high discharge capacity of 135.3 mA h g⁻¹, the wide-range plateau at a high voltage of 4.7 V and the cyclability with a capacity retention of 99.4% after 20 cycles. Thus, the facile preparation route of the core@shell and concentration-gradient particles may provide a new opportunity for the discovery and investigation of functional materials as well as for the cathode materials for LIBs.     

微波合成锂离子电池正极材料LiCoO2的研究

为了研究锂离子电池的正极材料LiCoO2的新型制备方法,考查了反应原料配比、微波输出功率、微波合成温度和微波加热时间对LiCoO2结构和性能的影响.以LiOH·H2O和Co2O3为反应原料的最佳合成条件:Li/Co摩尔比为1.05∶1,微波输出功率为360W,反应时间为14min,合成温度为800℃.所合成LiCoO2样品均采用XRD和SEM进行表征,结果表明,采用微波合成的LiCoO2样品为单一相层状结构且晶体结构发育良好;样品的充放电循环性能良好,首次循环放电容量为130mAh/g.     

Na0.44MnO2颗粒尺寸对其作为水系钠离子电池正极性能的影响

水溶性钠离子电池是一种与锂离子电池相辅相成的技术,因其相对较低的成本、改善的安全性和环境友好的电解液而备受青睐。然而,较低的电极容量限制了这种电池的应用。Na_0.44MnO₂是一种用于钠离子电池的高容量阴极材料,其理论容量为121 mAh/g。文章研究了Na_0.44MnO₂的尺寸效应对阴极性能的影响。纳米棒通过热处理MnO₂纳米片前驱体制备而成,其尺寸通过CTAB和KMnO₄的比例进行调控。然后,Na_0.44MnO₂纳米棒被用作水溶性钠离子电池的活性材料。纳米棒阴极在1 C的初始循环中提供了60 mAh/g的容量,并在经过200个循环后保持了55 mAh/g,比Na_0.44MnO₂块状阴极高出37.5%。在高倍率的5 C下,该阴极在经过200个循环后仍能提供47 mAh/g的高容量。容量的增加归因于减小的电荷传递阻抗和纳米棒具有较高比表面积所带来的改善的钠离子扩散性能。

     

锂离子电池正极材料LiNiO2的结构和性能

采用高温固相熔融加压法合成LiNiO2正极材料,研究了助熔剂LiNO3的加入量和反应体系中O2压力对材料的结构和放电容量的影响.结果表明,随着LiNO3加入量的增加,产物容量先增加后减小,LiOH和LiNO3摩尔比0.9:0.1时产物结构和容量性能最佳;增大反应体系中O2压力,产物结构和放电容量均得到改善.对LiNiO2进行循环性能检测,30次循环后放电容量保持率为81.8%,晶型保持很好,相变反应特征变得明显,但是充电平台电位降低.采用交流阻抗技术计算知Li 在LizNiO2活性材料中的扩散系数在10-9cm2s-1数量级,扩散系数较大,因而在充放电过程中Li 迁移扩散更容易,材料电化学活性提高.     

锂离子电池正极材料锂镍复合氧化物的合成及性能研究

对LiNiO2派生物LiNixCo1-xM0.05O2(M=Al,Mn,Ti)的性能进行了研究.采用了溶胶-凝胶法(Sol-gel)合成了KLiNixCo1-xM0.05O2(M=Al,Mn,Ti),采用XRD表征其晶体结构,均为层状结构;采用扫描电镜(SEM)观察产物的晶体形貌,粉末颗粒细小,粒径约为0.3～0.5μm.充放电测试表明,合成的LoiNixCo1-xAl0.05O2的循环性能比较好,LiNi0.7Co0.25Mn 0.05O2的初始容量较高.     

锂离子电池正极材料磷酸铁锂:进展与挑战

磷酸铁锂(LiFePO4)由于安全性能好、循环寿命长、原材料来源广泛、无环境污染等优点被公认为是最具发展潜力的锂离子动力与储能电池正极材料。经过10余年的深入研究,LiFePO4已经进入实用化阶段,综述了磷酸铁锂材料近年来在基础和应用研究方面的最新进展。     

Mg、F共掺杂锂锰尖晶石的合成与性能研究

采用"熔融浸溃法"合成了Mg和F共掺杂的不同温度下的锂离子电池正极材料LiMn1.9Mg0.104-yFy(y=0.03、0.05、0.1);煅烧温度为700、750和800 ℃.通过XRD对样品进行测试,样品为单一尖晶石结构的物相;并用SEM对样品进行了形貌研究.当y=0.05时样品表面光滑,粒度分布范围小.用所制备的材料作为正极材料组装了模拟锂离子电池;在室温下进行恒电流充-放电性能测试,随着材料制备温度的升高,电池的初始放电容量逐渐增加,但充放电循环的容量损失也逐渐增加;而在800下℃,y=0.05时,其初始放电容量高达117 mAh/g;60次充-放电循环后,容量保持其初始容量的83%,该材料具有高的放电容量和优良的循环性能.