锰基钠离子电池正极材料设计及电化学性能研究

钠离子电池因环境友好、储量丰富等优势,成为锂离子电池的后继者,在储能材料方面有很大的应用潜力。针对钠离子电池锰基正极材料存在结构不稳定、循环稳定性差等问题,采用溶胶-凝胶法制备Na_(0.7)Fe_(x)Mn(1-x)O_(2)(0<x<1)锰基正极材料,考察铁锰物质的量比对Na_(0.7)Fe_(x)Mn(1-x)O_(2)材料微观结构、电化学性能的影响。结果表明:铁的掺杂稳定了材料P2相晶型且增加了钠层间距;合成的两种材料Na_(0.7)Fe_(0.2)Mn_(0.8)O_(2)和Na_(0.7)Fe0.35Mn0.65O_(2)在电压范围为2~4 V、放电倍率为0.5C的条件下,首次充/放电比容量分别为88.54、63.73 mA·h/g和74.02、49.01 mA·h/g,循环100次后充/放电比容量分别为51.94、51.36 mA·h/g和52.15、51.59 mA·h/g,循环效率分别为58.01%和69.7%,表现出良好的容量保持和循环性能;在倍率方面,两种材料经过2C大电流充电后,重新循环到0.5C倍率时两种材料的充/放电比容量仍可达113.82、110.25 mA·h/g和51.75、51.11 mA·h/g,两种材料都表现了较好的循环倍率性能,其中Na_(0.7)Fe_(0.2)Mn_(0.8)O_(2)材料的性能表现得更加优异。

富锂正极材料Li_(1.2)Ni_(0.13)Co_(0.13)Mn_(0.54)O_(2)的制备及性能

为满足当前新能源发电技术对高比容量电化学储能材料的需求,采用聚合物热解法,通过优化前体聚合过程中金属离子与丙烯酸配比制备高比容量层状富锂锰基氧化物Li_(1.2)Ni_(0.13)Co_(0.13)Mn_(0.54)O_(2)。依据丙烯酸聚合反应实现金属离子均匀分散,通过二次升温煅烧制备出富锂锰基正极材料Li_(1.2)Ni_(0.13)Co_(0.13)Mn_(0.54)O_(2)。改变煅烧温度,制备不同煅烧温度下的正极材料样品,研究煅烧温度对其微观形貌及电化学性能的影响。利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)测试技术观测不同材料样品微观形貌和晶体结构的差异,利用能谱分析技术(EDS)观察材料中的元素分布情况,使用新威电池测试系统和电化学工作站对所制备正极材料的电化学性能进行研究。结果表明,在925℃下制备的Li_(1.2)Ni_(0.13)Co_(0.13)Mn_(0.54)O_(2)正极材料结晶度高,层状结构明显,阳离子混排程度低,各元素分散均匀。在2.0~4.8 V范围循环充放电测试,0.1C倍率下首周放电比容量达到290.3 mAh/g,0.5C倍率下循环充放电100周放电容量保持在204.8 mAh/g,容量保持率为81.9%,具有较好的循环稳定性。本实验制备出的富锂锰基正极材料Li_(1.2)Ni_(0.13)Co_(0.13)Mn_(0.54)O_(2)具有良好的电化学性能,有助于推动富锂锰基正极材料的应用,为高比容量正极材料的发展提供实验依据。

Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_(2)正极材料的Ga_(2)O_(3)包覆改性及电化学性能

首先采用共沉淀方法制备富锂锰基正极材料Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_(2)原始样品(P-LRMO),然后通过简单的湿化学法以及低温煅烧方法对其进行不同含量Ga_(2)O_(3)原位包覆。透射电子显微镜(TEM)以及X射线光电子能谱(XPS)结果表明在P-LRMO表面成功合成了Ga_(2)O_(3)包覆层。电化学测试结果表明:含有3%Ga_(2)O_(3)的改性材料G3-LRMO具有最优的电化学性能,其在0.1C倍率(电流密度为25 mA·g^(-1))下首圈充放电比容量可以达到270.1 mAh·g^(-1),在5C倍率下容量仍能保持127.4 mAh·g^(-1),优于未改性材料的90.7 mAh·g^(-1),表现出优异的倍率性能。G3-LRMO在1C倍率下循环200圈后仍有190.7 mAh·g^(-1)的容量,容量保持率由未改性前的72.9%提升至85.6%,证明Ga_(2)O_(3)包覆改性能有效提升富锂锰基材料的循环稳定性。并且,G3-LRMO在1C倍率下循环100圈后,电荷转移阻抗(Rct)为107.7Ω,远低于未改性材料的251.5Ω,表明Ga_(2)O_(3)包覆层能提高材料的电子传输速率。

富锂锰基材料低首次库仑效率原因及改性策略

富锂锰基正极材料〔xLi_(2)MnO_(3)•(1–x)LiTMO_(2),0<x<1,TM=Mn、Co、Ni等〕(LROs)具有高容量、高工作电压、高安全、低成本等诸多优点,是下一代新型锂离子电池材料中最具有应用前景的正极材料之一。然而,LROs的低首次库仑效率严重地阻碍了其商业化,亟需深入研究其低首次库仑效率原因。从LROs的晶体结构及充放电行为出发,全面剖析了氧的不可逆流失、Li^(+)不可逆脱/嵌、Li^(+)与H^(+)离子交换等造成LROs低首次库仑效率原因的具体机理;针对性地总结了离子掺杂、表面工程、单晶化等提升首次库仑效率的相关改性策略;展望了提升LROs未来商业化的研究方向。

纳米富锂锰基正极材料的合成及性能研究

富锂层状氧化物材料具有较高的比容量,被认为是下一代先进锂离子电池正极材料。采用丙烯酸热聚合法和柠檬酸溶胶-凝胶法分别合成了纳米富锂锰基正极材料Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_(2),并进行Mg^(^(2+))掺杂改性。通过扫描电子显微镜、X射线粉末衍射仪对制备的正极材料进行形貌和结构表征,并组装成纽扣电池进行充放电性能测试和电化学阻抗谱分析。结果表明,丙烯酸热聚合法合成的正极材料粒径均匀,结晶度更高;与未掺杂样品相比,掺杂Mg^(2+)的正极材料首次库伦效率从67.66%提高到73.34%,循环性能显著改善。

锰基正极材料在水系锌离子电池中的挑战及性能提升策略

锌离子电池(ZIBs)由于其安全性、可持续性、成本效益和高能量密度而越来越受欢迎,有望成为锂离子电池(LIBs)的替代品。目前对锌离子电池已经进行了广泛的研究。然而,锰基正极材料在锌离子电池中的应用带来了挑战,特别是金属溶解和材料不稳定性等问题。这些挑战导致电池循环稳定性较差,阻碍了锌离子电池发展的进程。本文概述了锌离子存储机制,阐明了锰基正极材料面临的挑战,并提出了改善其性能的优化策略。最后,讨论了锰基正极材料的潜力。

富锂锰基正极材料的聚苯胺包覆及其电化学性能

正极材料作为锂离子电池的重要组成部分之一,在一定程度上影响着电池的性能。富锂锰基正极材料Li_(1.2)Ni_(0.13)Co_(0.13)Mn_(0.54)O_(2)(LNCM)凭借高比容量、高电压等优点成为下一代锂离子电池正极材料的候选。本研究采用溶胶凝胶法制备了富锂锰基正极材料,利用原位聚合法在正极材料表面形成聚苯胺包覆层,并在聚合过程中利用质子酸掺杂进一步提高聚合物的电导率,以改善正极材料的性能。实验结果表明,X射线衍射(XRD)测试显示包覆前后正极材料的晶体结构未发生改变;傅里叶变换红外光谱分析(FT-IR)证明了复合材料中聚苯胺的存在。聚苯胺作为电子导体,可以有效降低正极材料的阻抗,提高反应动力学,稳定正极材料的晶体结构并优化其循环性能。

水系锌离子电池锰基正极材料研究进展

可充电水系锌离子电池由于低成本和高安全性,被认为是储能设备的理想候选者。近年来,锰基正极材料由于低成本、低毒性、高工作电压、价态丰富和晶体结构多变等特点,得到广泛研究。锰基材料在循环过程中因结构坍塌引起的容量衰减,阻碍了水系锌离子电池的进一步发展。综述锰基正极材料的研究进展,包括各种锰基氧化物(MnO_(2)、Mn_(2)O_(3)、Mn_(3)O_(4)和MnO等)及其储锌机理。归纳提高锰基正极材料电化学性能的优化策略,并展望锰基正极材料未来的发展。

锌离子电池用锰/钒基氧化物异质结构正极的研究进展

水系锌离子电池(AZIBs)由于其理论比容量高、安全性高、成本低、制造工艺简单和环境友好等特性在电化学储能领域展现出巨大应用潜力。锰/钒基氧化物因其价态丰富、结构优异、比容量高等优点成为最具潜力的锌离子电池正极材料。然而,它们的本征导电性差、锌离子扩散动力学缓慢、电化学过程中的溶解和结构塌陷等限制了其进一步发展和实际应用。缓解上述问题的一种有效方法是将锰/钒基氧化物与不同功能性的组分结合构筑异质结构。原因在于,获得的异质结构能够借助各组分的特点和具有显著物化特性的异质界面,实现多功能性和协同效应,从而实现高效的储锌性能。基于此,本综述总结了锰/钒基氧化物正极材料面临的主要挑战,重点介绍了近年来已报道锰/钒基氧化物异质结构的类型、特点、制备方法及储锌性能增强机制等。最后,本文对水系锌离子电池用异质结构正极材料未来的发展进行了展望,以期为高性能锌离子电池电极材料的开发提供新的思路。

锂配比对富锂锰基正极材料电化学性能的影响

富锂锰基材料(LLMO)具有高容量和高工作电压,是理想的正极材料。本文考察不同锂配比制备出富锂锰基材料,通过电感耦合等离子体(ICP)和扫描电镜(SEM)表征样品的理化数据和形貌。利用恒流充放电测试材料的电化学性能。结果表明,RM55-1.1样品具有较大的比表面积,在0.5 C首次放电比容量为185.8 mAh/g,高于其他锂配比样品比容量。经过101次循环后,其容量保持率为88.75%。在1 C的电流密度下能够达到164.8 mAh/g,具有较好的倍率性能。同时,RM55-1.1样品具有较低的电池直流内阻(DCR)增长率。因此,适量的锂配比(Li/Me=1.05~1.15)制备出的富锂锰基正极材料具有较高的容量和良好的循环性能。

无钴富锂锰基正极材料Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_(2)的表面改性及电化学性能研究

无钴富锂锰基正极材料Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_(2)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_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_(2)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_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_(2)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_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_(2)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_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_(2)材料形成了内部为层状相、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_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_(2)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。

锰基普鲁士蓝作为钠离子电池正极材料的研究进展

近年来,由于锂资源的短缺和快速消耗,锂离子电池的成本急剧增加,因此寻找新型储能系统显得日益重要。钠离子电池具有和锂离子电池相似的工作原理,可以作为锂离子电池的一种经济高效的替代品。锰基普鲁士蓝材料因其原材料分布广泛、成本低、结构稳定、环境友好且制备工艺简单等优点,是一种极具潜力的钠离子电池正极材料。综述了有关锰基普鲁士蓝材料的储钠机理、合成方法、修饰路线及材料应用的最新进展,从迁移离子、过渡金属、结合水与空位分析了普鲁士蓝材料对钠离子电池电化学性能的影响,并对可能的发展方向进行了展望。

合成方法对富锂锰基正极材料Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_(2)电化学性能的影响

采用共沉淀法、溶胶凝胶法和固相法合成了富锂锰基正极材料Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_(2),并通过XRD、SEM、EDS等对所合成材料的物相结构和微观组织等进行了表征,采用电池测试系统对由合成材料组装的CR2032纽扣式半电池进行电化学性能测试。研究表明,三种合成方法都成功合成了具有层状结构的富锂锰基正极材料,其中共沉淀法制备的样品阳离子混排程度最低,元素分布和颗粒大小均匀,晶界边缘清晰,并且无明显团聚。从电化学性能来看,在2.0~4.8 V的电压范围内,0.1 C倍率下共沉淀法合成样品的首圈放电比容量最高,在充放电循环100圈后,仍保持195.8 mA·h/g的放电比容量,容量保持率为87.3%。相较而言,溶胶凝胶法和固相法制备的样品容量保持率较低,分别为84.5%和83.8%。与溶胶凝胶法和固相法制备样品相比,共沉淀法可有效提高Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_(2)正极材料中Li^(+)的传输效率,进而提高样品的倍率性能。

界面三维扩散通道与富锂锰基的协同效应研究

富锂锰基正极材料具有诸多优点,但是其低锂离子电导率和高扩散势垒严重影响其倍率性能。提出了快离子导体磷酸钛铝锂表面包覆改性策略,分析了富锂锰基正极材料与磷酸钛铝锂包覆层的协同效应。结果表明:在700℃煅烧5 h,包覆量为3%(质量分数)Li_(1.3)Ti_(1.7)Al_(0.3)(PO_(4))_(3)的Li-[Li_(0.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)]O_(2)具有最佳的性能,在100次循环后,放电比容量为226.5 mAh/g,保持率为89.7%。其优异的电化学性能可归因于包覆层提供三维锂离子扩散通道,减小了电极-电解液界面迁移阻抗。

水系铵离子电池正极材料最新研究进展

目前二次电池的研发主要集中在金属载体上,近年来,NH_(4)^(+)因其来源丰富、摩尔质量较轻且其水合离子半径远远小于Li^(+)、Na^(+)及Zn^(2+)水合离子半径而引起人们的关注。本文围绕水系铵离子电池正极材料的最新研究进展展开,目前其正极材料的研究主要包括普鲁士蓝类似物、钒基材料、锰基材料,并在此基础上进一步指出了即将面临的机遇和挑战。

Mo掺杂锰基层状氧化物构建稳定钾离子电池正极材料

锰基层状氧化物具有比容量高、成本低等优点,是最有发展前途的钾离子电池正极材料之一。然而由于Mn^(3+)带来的Jahn-Teller效应,材料在循环过程中容易发生不可逆相变以及结构崩塌等现象,导致电池循环稳定性较差。为稳定层间结构,采用固相法通过Mo掺杂P3型K_(0.5)MnO_(2)制备了K_(0.5)Mn_(0.95)Mo_(0.05)O_(2),以此作为钾离子电池的正极材料,组装的半电池在20 mA/g的电流密度下具有73.69 mA·h/g的初始放电比容量,经过30圈循环后仍具有66.16 mA·h/g的放电比容量,保持率达90%。在100 mA/g电流密度下,首圈放电比容量为52.15 mA·h/g,循环100圈后仍有71%的容量保持率,具有良好的循环稳定性。

表面包覆对富锂锰基材料循环稳定性影响研究

采用TiO_2和Al_2O_3对富锂锰基材料Li[Li_(0.2)Ni_(0.13)Co_(0.13)Mn_(0.54)]O_2进行表面包覆改性,研究了表面包覆对富锂锰基材料循环过程中放电容量和电压的影响。结果表明,Al_2O_3包覆富锂锰基材料的放电电压下降较缓慢,而TiO_2包覆富锂锰基材料的放电容量下降较缓慢;表面包覆后富锂锰基材料循环稳定性的变化与材料微观结构形貌相关性较小。

锂离子电池用层状LiMnO_2基正极材料的研究进展

层状LiMnO2材料因其结构不稳定、循环性能差,因而需对其进行掺杂改性。层状锰系衍生物具有比容量高、循环性能稳定等优点,已成为锂离子电池新的发展方向。介绍了目前对LiMnO2的掺杂改性研究,对多元层状锰基固溶体正极材料作了重点阐述。总结了近年来关于多元层状锰基正极材料的研究发展,介绍了其晶体结构、电化学性能、合成与制备技术,以及进一步的改性研究。如果多元层状固溶体材料的高倍率放电性能得到进一步的提高,则其必将成为新的一代锂离子电池正极的首选材料。

锰基正极材料混合锂离子电池高低温性能研究

以富锂锰基正极材料(R)和尖晶石锰酸锂(M)混合作为锂离子电池的正极材料,以石墨为负极,制作成0.3 Ah的软包电池,分别对其进行高低温性能研究。结果表明:通过正极材料的混合使用,可以在很大程度上解决两种材料在低温和高温性能上的不足,弥补两种材料单一使用的缺陷,也一定程度上扩大了锂离子电池的温度使用范围。经系列研究表明:当R∶M=7∶3时,电池表现出优异的高低温性能,55℃下,100次循环后容量保持率为97.76%;-20℃下,容量保持率为60.21%。

三种组分富锂锰基正极材料的物性和电化学性能研究

从成分、粒度、比表面积和结构形貌、离子价态、电池电化学性能、CV曲线和电化学阻抗等方面对3种不同组分的富锂锰基正极材料进行分析,探讨富锂材料的本质特征,深入分析富锂材料充放电过程反应机理。研究结果表明,3种富锂材料中,Li_（1.18）Ni_（0.13）Co_（0.13）Mn_（0.54）O_2样品的电化学性能最优,在0.05C和2~4.8 V电压范围内,初始放电比容量高达261 m Ah/g。试验结果对富锂材料的选择有一定指导意义。