高镍层状正极材料失效机理及其改性研究进展

在现有的商用正极中,富镍层状正极因其高能量密度、较好的倍率性能和合理的循环性能而被广泛应用。目前,Co的价格远高于Ni和Mn,正极材料的研究正朝着高镍“少钴化”甚至“无钴化”的方向推进。本文主要介绍了近年来高镍层状正极材料的研究进展,旨在为未来高镍正极的设计、开发提供重要线索,并推动其实际应用进程。文中首先介绍了高镍正极材料主要失效机理,包括表面/界面降解、阳离子混合、电极-电解质自发寄生反应、气体析出和晶间/晶内开裂。其次,综述了近些年来对高镍材料进行的体相掺杂、表面包覆、成分调整和形貌工程等方面的改性研究和相关进展。最后,对高镍正极材料未来的研究方向和目前的技术挑战进行了展望。

超级电容器应用设计

以超级电容器放电时端电压的变化为基础,推导出了其应用设计中容量、等效串联电阻、串并联个数的计算公式,介绍了国内外一些公司超级电容器产品的性能指标;并以数据存储电路系统、脉冲电路系统的应用设计为例,对超级电容器应用设计方法进行了研究,同时提出了应用中应注意的一些问题。

不同阳极氧化条件下TiO_2纳米管阵列的制备及表征

分别在三种不同的电解液中,以钛为基体采用阳极氧化的方法制备了TiO2纳米管阵列薄膜,用SEM观察纳米管阵列薄膜的形貌、测量纳米管管径大小;用XRD、拉曼光谱检测TiO2纳米管阵列薄膜热处理前后的晶型.结果表明:不同的电解液体系和氧化电压下得到的纳米管形貌各不相同.在0.24wt%HF水溶液中得到的TiO2纳米管排列整齐,管径为110nm;在0.5wt%NaF+2.7wt%Na2SO4水溶液和0.88wt%NH4F的丙三醇-水(体积比1:1)混合溶液中得到的纳米管排列不规整,管径为100nm;在0.24wt%HF条件下生成的TiO2纳米管管径与氧化电压成线性关系:d=k×U+b,其中,系数k=5.2nm/V,b=2.2nm,0≤U≤25V.经450℃热处理2h后TiO2纳米管结构由无定形态转变为锐钛矿.

添加ZrO_2对Si_3N_4复合陶瓷材料力学性能的影响

通过无压烧结制备了ZrO2-Si3N4复合陶瓷材料,并以排水法、SEM和DDL100型万能拉伸机进行表征。研究了ZrO2含量对Si3N4陶瓷的致密度、显微结构和力学性能的影响。结果表明,随着ZrO2含量的增加,Si3N4陶瓷致密度增加;抗弯强度和断裂韧性先增大后减小,当ZrO2含量达到10%时,Si3N4的抗弯强度和断裂韧性同时达到最大值,分别为362MPa和7.0MPa.m1/2。ZrO2增韧Si3N4陶瓷的机制为应力诱导相变。

热处理对高强变形锌合金ZAT10组织与性能的影响

以高强变形锌合金ZAT10为研究对象,通过热分析仪(DSC)、X线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)、力学性能测试以及模拟海水腐蚀实验,研究高强变形锌合金的相组成以及热处理对高强变形锌合金的相组织、力学性能和抗腐蚀性能的影响。研究结果表明:高强变形锌合金ZAT10是由η锌相和(α+η)相的层片状共析体组织组成;280～300℃热处理1 h使ZAT10锌合金层片状共析体组织转化为粒状组织,350～360℃热处理1 h则层片状组织消失;热处理温度从250℃升到350℃,ZAT10合金的抗拉强度由391 MPa增加到498 MPa,伸长率由20%下降至5%;随着热处理温度的提高,合金的抗腐蚀性能提高。

ZAT10变形锌合金在不同腐蚀环境中的腐蚀及力学性能变化

通过极化曲线分析、XRD物相分析、扫描电镜形貌观察、微分区成分分析以及力学性能测试等,研究ZAT10合金在自来水、3.5%NaCl溶液(模拟海水)中不同温度下的腐蚀行为以及力学性能的变化。研究结果表明:ZAT10合金在自来水、3.5%NaCl溶液中的腐蚀受均匀腐蚀和局部晶间腐蚀的共同作用,自来水中的抗腐蚀性能较好,温度升高时抗腐蚀能力下降,腐蚀严重;ZAT10在自来水中的表面腐蚀产物以Zn5(OH)8CO3.nH2O为主,3.5%NaCl溶液中的表面腐蚀产物以Zn(OH)2和ZnO为主;腐蚀后的样品力学性能急剧下降,3.5%NaCl溶液中样品的抗拉强度下降的幅度与速率均比自来水中的大。

6061铝合金均匀化效果的评价方法

采用光学显微分析(OM)、扫描电镜(SEM)、维氏硬度测试和涡流电导测试等手段研究了不同均匀化处理态的6061铝合金的显微组织演变,分析了均匀化时间与合金硬度及导电率的对应关系,确定了6061铝合金均匀化效果的定量评价标准。结果表明:6061铝合金在均匀化过程中硬度随均匀化时间的延长而降低,导电率随均匀化时间的延长而提高;利用共晶组织面积分数、硬度和导电率对均匀化效果进行评价;确定了6061铝合金较优的均匀化工艺为570℃×7 h。

低价铌氧化物电解电容器阳极的研制

采用Nb与Nb2O5固-固反应制备低价铌氧化物粉末,用正交试验法及方差分析对制备低价铌氧化物电解电容器阳极的工艺条件进行了优化。所研制的电容器阳极比容69500μF·V·g-1、损耗11.25%、漏电流(K值)1.8×10-4μA·μF-1·V-1,优于FTa16-300电容器钽粉国家标准(GB/T3136-1995)。

新型电解电容器阳极材料低价铌氧化物的制备

分别采用Mg还原Nb2O5工艺、高能球磨工艺和Nb还原Nb2O5工艺制备了低价铌氧化物。结果表明:Mg还原Nb2O5工艺反应不易控制,产物物相复杂、粒度粗、粒形简单,以其为原料制作的阳极比容低、内阻高;高能球磨工艺制备的低价铌氧化物粒度细,比容可达107mF·V/g,但由于引入了杂质,漏电流大;Nb还原Nb2O5工艺制备的低价铌氧化物具有优良的电性能,比容、损耗、漏电流(K值)分别达到69.5mF·V/g、11.25%、1.8×10-4μA/(μF·V),其电性能指标优于FTa16300电容器钽粉国家标准。

多元素掺杂木质素基多孔硬碳材料的制备及应用

在钾离子电池负极材料中,生物质碳材料因其来源丰富、无毒可降解的优势有着良好的发展前景。然而,复杂的制备流程、相对较低的容量以及较差的循环性能限制了它的应用。以造纸工业废品木质素为前驱体,通过直接碳化法成功制备出多元素掺杂木质素基多孔硬碳(HC)。作为钾离子电池负极,HC具有较高的可逆容量(0.1 C时容量为312.5 mAh/g)、良好的倍率性能(2 C时容量为107.6 mAh/g)以及循环稳定性(0.5 C下经过200次循环后,容量保持在125 mAh/g)。优异的电化学性能归因于分级多孔结构以及N、O、S等多种元素掺杂产生的丰富缺陷和反应活性位点。更重要的是,相对简单的制备流程可以有效缓解工业木质素带来的环境污染和资源浪费问题,因此HC具有巨大的商业化应用潜力。

Al_2O_3-ZrO_2/W/Cr/Ni/Co金属陶瓷的断裂韧性

以Al2O3-ZrO2复合粉末、W、Cr、Ni、Co粉末为原料,采用热压烧结工艺制备了性能优良的Al2O3-ZrO2/W/Cr/Ni/Co金属陶瓷复合材料。通过SEM,EDS,XRD等手段分析其微观组织,单边梁开口法(SENB)测量其断裂韧性。实验结果表明在1320℃,20MPa条件下热压烧结制备的Al2O3-ZrO2/W/Cr/Ni/Co金属陶瓷的断裂韧性为7.16±0.4MPa.m1/2,硬度为83.3HRA,横向断裂强度为540MPa,相对致密度为97.4%;对维氏压痕下裂纹扩展进行了分析,其增韧机理为延性金属对裂纹的桥梁作用和氧化锆相变增韧,在裂纹通过时硬质相以沿晶断裂为主。

浆料涂敷法制备的低电阻铝/碳复合箔界面结构及其性能

采用先预涂敷含碳浆料再热解的方法制备一种碳层厚度<10μm、界面结合良好、表面电阻率低至9.75×10-8?·m的铝/碳复合箔。通过电阻测试仪、扫描电镜、XRD和透射电镜等方法对铝/碳复合箔的表面电阻、表面及界面的微观结构和相组成进行研究,并探讨以其作为阴极箔对固体铝电解电容器容量和电阻的影响。研究结果表明:铝/碳复合箔的碳层表面孔隙发达,碳层与铝箔结合紧密,二者的界面处生成Al4C3,形成了良好的冶金结合;以铝/碳复合箔作为阴极箔制造电压为4 V和电容为(560±20)μF的固体铝电解电容器,电容达到565μF,等效串联电阻为4.5 m?,损耗为1.05%,而同规格普通腐蚀阴极箔的固体铝电解电容器的电容为420μF,等效串联电阻为7.4 m?,损耗为30%,铝/碳复合箔作为阴极箔性能更优。

镁还原法制备新型电解电容器阳极材料低价铌氧化物的工艺研究

对镁还原Nb2O5制备低价铌氧化物工艺进行了研究。采用研磨混料-还原焙烧-酸洗除杂-干燥工艺制备了低价铌氧化物粉末,采用XRD、SEM测试方法对产物物相、微观形貌进行了研究;按钽电解电容器相似的工艺将低价铌氧化物粉末制成了阳极,采用电解电容器阳极测试方法对其电性能进行了研究。结果表明,镁还原Nb2O5制备低价铌氧化物反应不易控制,产物物相复杂、粒度粗、粒形简单,以其为原料制做的阳极比容低、内阻高、漏电流大。

β-Si_3N_4含量对Y_2O_3-MgO-α-Si_3N_4陶瓷性能的影响

利用扫描电子显微分析等手段,研究了棒状β-Si3N4含量对Y2O3-MgO-α-Si3N4陶瓷致密度、力学性能和显微结构的影响,确定了β-Si3N4和α-Si3N4的适宜配比。结果显示:随着β-Si3N4含量的增加,Y2O3-MgO-α-Si3N4陶瓷材料致密度和力学性能均先增加后降低,当β-Si3N4含量达到40%时,陶瓷致密度和力学性能同时达到最大,此时致密度为93%,横向断裂强度为583.4 MPa,断裂韧性为5.42 MPa.m1/2。

高能球磨法制备新型电解电容器阳极材料低价铌氧化物工艺研究

对在高能球磨中用Nb还原Nb2O5制备新型电解电容器阳极材料低价铌氧化物工艺进行了研究。研究对比了两种不同工艺方案:A,高能球磨混料-酸洗除杂-真空焙烧;B,高能球磨混料-真空焙烧-酸洗除杂。采用ICP、SEM分析检测方法对产物的杂质含量、微观形貌进行了分析研究。按与钽电解电容器相似的工艺将低价铌氧化物粉末制成了阳极,并采用电解电容器阳极测试方法对其电性能进行了研究。结果表明:A方案制备的产物比B方案的杂质含量低、漏电流小、比容低、损耗小,B方案产物比容可达107 000μF.V.g-1,两种方案制备的产物均有明显片式化现象、粒度细,但球磨过程中引入的杂质均难以在后续的洗涤过程中彻底除去,导致阳极漏电流较大。

洗涤和热处理对LiNi_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)O_2正极材料结构和电化学充放电性能的影响（英文）

用去离子水将原始的LiNi_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)O_2正极材料进行洗涤并分别在不同温度下处理相同的时间,讨论了LiNi_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)O_2正极材料结构、形貌以及电化学充放电性能的变化,同时探讨了洗涤和热处理对材料结构、电化学充放电性能以及倍率性能影响的机理。XRD分析表明:在洗涤和热处理之后,LiNi_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)O_2正极材料的I(003)/I(104)比值以及晶胞体积均有变小;傅里叶红外光谱分析表明:在洗涤和热处理之后,LiNi_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)O_2正极材料中形成了碳酸锂、镍化合物杂质及其相关变化。同时对洗涤和热处理前后LiNi_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)O_2正极材料容量和倍率性能进行测试。容量测试结果表明:原始样品以及处理后样品在30圈循环之后容量保持率分别为88.87%、87.21%、85.43%和87.80%。

二次加碳中有机碳源对LiFePO_4/C性能的影响

采用高温固相合成法制备了碳包覆磷酸铁锂正极材料,使用不同有机碳源对LiFePO4进行碳包覆。通过热分析(TG-DSC)、X-射线衍射光谱法(XRD)、热场发射透射电子显微镜(HRTEM)、显微激光拉曼光谱等分析方法对其相组成、化学结构和碳结构等进行分析,并对LiFePO4/C为正极材料的电池进行了测试。结果表明:酚醛树脂、蔗糖、聚乙二醇和柠檬酸为有机碳源所制备的LiFePO4材料,都为纯相的LiFePO4;碳包覆LiFePO4材料,具有较完整的碳包覆层,且都有石墨结构的有序碳生成,能改善材料的电导率;酚醛树脂为有机碳源得到的LiFePO4/C材料性能最好,在0.1C倍率下充放电,首次放电比容量达到148.6 mAh/g,1C倍率下充放电的比容量达到125.1 mAh/g。

磁场淬火处理对硬质合金组织和性能的影响

采用X线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、金相（OM）、横向断裂强度、维氏硬度以及矫顽磁力测试等分析手段,研究YG6（WC-6%Co）及YN6（WC-6%Ni）合金在磁场淬火处理后的性能变化规律。研究的条件为：样品在（1 100±5）℃下保温20~25 min,在脉冲磁场强度2 T下淬火15 min后再（500±5）℃回火3 h;此外对YG6合金进行常规淬火比较。研究结果表明：磁场淬火可使YG6合金维氏硬度提高3%、横向断裂强度提高18%、冲击韧性提高24%、矫顽磁力提高25%;而YN6合金横向断裂强度提高5.9%,冲击韧性提高6.9%,维氏硬度和矫顽磁力无明显变化。磁场淬火使钴基硬质合金的黏结相中α-Co含量提高,W和C在黏结相中的固溶度增加,WC晶粒棱角趋于圆滑;同时,磁场引起钴基硬质合金中WC晶粒出现锯齿状形貌并偏转为有序方向排列,是合金性能改善的主要原因。

高温固相还原法制备新型锂离子负极材料NbO及其电化学性能

以Nb和Nb2O5粉末为原料,采用高温固相还原法合成NbO电极材料。通过X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)、激光衍射粒度分析(LDSA)、充放电测试、循环伏安(CV)测试等手段对材料的结构、形貌及电化学性能进行表征,并通过原位XRD分析测试,探究NbO作为负极材料在锂离子电池中的反应机理。结果表明:NbO用作电极材料的平均嵌锂平台在1.6 V左右。NbO对锂的插嵌机理为锂离子的直接脱嵌,是1个单相转变过程。在0.05 C(C为充放电电流倍率)下,NbO和球磨处理后(Ball-milling)的NbO-BM的首次放电容量分别为220(mA·h)/g和280(mA·h)/g,经过50次循环后,剩余容量分别为170(mA·h)/g和220(mA·h)

用固相和水热结合法制备LiMn_(0.4)Fe_(0.6)PO_4/C复合材料(英文)

以Li2CO3、FeC2O4·2H2O、MnCO3和NH4H2PO4为原料,按5:6:4:10的摩尔比混合,采用固相反应和水热法结合的新方法制备得到LiMn0.4Fe0.6PO4。通过XRD、SEM、TEM以及循环伏安(CV)和充放电测试对材料进行结构、形貌以及电化学性能表征。结果表明,此方法合成的产物具有单一的橄榄石晶体结构,颗粒尺寸约为120 nm,且表面均匀包覆一层无定形碳。电化学测试结果表明,样品的循环伏安曲线中有两对氧化还原峰,分别对应Fe3+/Fe2+(3.5 V)和Mn3+/Mn2+(4.0 V)。LiMn0.4Fe0.6PO4/C在0.1C下的初始放电比容量为160 mAh/g,0.5C下的初始放电比容量为143 mAh/g,且具有较好的循环性能。