锂离子电池三元正极材料(NCM)的材料改性研究
ncm三元材料结构及衰减机制
NCM三元材料结构及衰减机制1. 引言NCM三元材料是一种具有重要应用前景的锂离子电池正极材料，由镍、钴和锰三种元素组成。
它具有高能量密度、长循环寿命和较低的成本等优势，因此被广泛应用于电动汽车、便携式电子设备等领域。
本文将从结构和衰减机制两个方面，对NCM 三元材料进行全面详细、完整且深入的介绍。
2. NCM三元材料结构NCM三元材料的结构是其性能的关键之一。
一般而言，NCM三元材料主要由锂离子导电的晶体结构和锂离子储存的空隙组成。
2.1 晶体结构NCM三元材料的晶体结构通常采用层状结构，其中镍、钴和锰元素依次排列在层状结构中。
这种结构有利于锂离子在晶体中的扩散，提高了电池的放电性能。
2.2 锂离子储存空隙NCM三元材料中的锂离子储存空隙是指晶体中未被占据的空位，用于储存锂离子。
这些空隙的大小和分布对材料的电化学性能有重要影响。
合理的锂离子储存空隙可以提高电池的容量和循环寿命。
3. NCM三元材料衰减机制NCM三元材料的衰减机制主要包括结构破坏、电解液分解和锂离子损失等方面。
3.1 结构破坏在电池的充放电循环过程中，NCM三元材料的晶体结构会发生破坏。
这是因为锂离子在充放电过程中与材料发生反应，导致晶体结构的变化。
结构破坏会导致材料的容量衰减和循环寿命的降低。
3.2 电解液分解在电池的使用过程中，NCM三元材料与电解液发生反应，导致电解液的分解。
电解液分解会产生气体和固体产物，进一步导致电池的容量衰减和循环寿命的降低。
3.3 锂离子损失NCM三元材料中的锂离子可能会因为溶解、漏失或与其他材料发生反应而损失。
锂离子的损失会导致电池容量的衰减和循环寿命的降低。
4. 结论NCM三元材料是一种具有广泛应用前景的锂离子电池正极材料。
其结构和衰减机制对电池的性能有着重要影响。
通过了解NCM三元材料的结构和衰减机制，可以为材料的优化设计和电池的性能提升提供指导。
同时，深入研究NCM三元材料的结构和衰减机制，也有助于进一步提高锂离子电池的能量密度、循环寿命和安全性能。
ncm三元材料结构及衰减机制
ncm三元材料结构及衰减机制
NCM三元材料是一种由镍、钴、锰和锂组成的正极材料。
它具有
高比能量、高放电电压和优异的循环稳定性，因此在锂离子电池中得
到广泛应用。
NCM三元材料的结构由晶格构成，其中Ni、Co和Mn元素以一定
的比例结合在一起。
这种结构可以提供足够的锂离子嵌入和脱嵌空间，从而实现高能量储存和释放。
在充放电过程中，NCM三元材料会发生衰减。
衰减机制主要包括
三个方面：
第一，由于锂离子的嵌入和脱嵌过程，导致NCM三元材料的结构
发生变化。
这种结构变化可能使晶体中出现裂纹或产生应力，导致材
料失去稳定性。
第二，NCM三元材料在充放电过程中会发生锂离子和电解液的反应。
这些反应可能导致电解液中的溶液成分溶解或沉积在正极表面，
形成固体电解质界面层，从而降低了材料的电化学性能。
第三，NCM三元材料的循环过程中可能会发生氧化-还原反应。
这种反应会导致材料中的氧离子丢失或重新组合，从而影响其电化学性能。
综上所述，NCM三元材料的结构和衰减机制对于锂离子电池的性
能具有重要影响。
研究和优化这些方面对于提高锂离子电池的循环寿
命和充放电性能具有重要意义。
锂离子电池三元高镍正极材料的改性及电化学性能研究
锂离子电池三元高镍正极材料的改性及电化学性能研究摘要：为了提高锂离子电池的性能，本研究采用了化学共沉淀法制备了三元高镍正极材料。
随后，对其进行了改性处理，包括高温焙烧、表面修饰和掺杂等方法，并研究了不同改性方法对其电化学性能的影响。
结果表明，采用掺杂方法改性的三元高镍正极材料具有更好的电化学性能，其中最佳掺杂剂为钴和铁，能够显著提高其比容量和循环寿命。
关键词：锂离子电池；三元高镍正极材料；改性；电化学性能引言锂离子电池是目前最广泛应用的一种可充电电池，具有高能量密度、长循环寿命等优点。
其中正极材料是决定电池性能的关键因素之一，而三元高镍正极材料由于具有高的比容量和低的成本，在近年来受到了广泛的研究。
然而，其电化学性能仍存在一些缺陷，如循环寿命短、容量衰减等问题。
因此，如何改善其性能成为了当前研究的重要方向之一。
方法本研究采用化学共沉淀法制备了三元高镍正极材料，其中镍、钴、锰的质量比为5:3:2。
随后，对其进行了高温焙烧、表面修饰和掺杂等方法进行改性处理。
结果与讨论通过扫描电镜和透射电镜等实验手段对样品进行了形貌和结构表征，发现掺杂元素的引入能够显著改变材料的颗粒形貌和晶体结构。
同时，改性后的三元高镍正极材料具有更优异的电化学性能，在充放电容量、循环寿命等方面均有明显提高。
其中，采用掺杂方法改性的样品具有最佳的性能表现，钴和铁掺杂元素的引入能够显著提高其比容量和循环寿命，且其性能稳定性较高。
结论本研究通过对三元高镍正极材料进行改性处理，发现掺杂方法能够显著提高其电化学性能，其中最佳掺杂元素为钴和铁。
该研究为提高锂离子电池性能提供了新思路和方法。
离子电池是目前最常用的可充电电池之一，在诸多领域得到广泛应用，比如移动通信、电动汽车、储能系统等。
其中，三元高镍正极材料由于其高比容量、低成本等优点而备受研究者们的关注，然而其电化学性能仍存在不足之处，主要体现在循环寿命短、容量衰减等方面。
因此，如何提高该材料的性能成为当前研究的热点问题之一。
《2024年锂离子电池富锂锰基三元正极材料的研究》范文
《锂离子电池富锂锰基三元正极材料的研究》篇一一、引言随着电动汽车、移动电子设备等领域的快速发展，对锂离子电池的性能要求越来越高。
正极材料作为锂离子电池的关键组成部分，其性能的优劣直接决定了电池的整体性能。
富锂锰基三元正极材料因其高能量密度、长循环寿命和低成本等优点，在锂离子电池领域得到了广泛的应用。
本文将重点研究锂离子电池富锂锰基三元正极材料的性能、制备方法及其应用前景。
二、富锂锰基三元正极材料的性能富锂锰基三元正极材料主要由锂、锰、镍等元素组成，其结构稳定、容量高、成本低，是当前锂离子电池领域的研究热点。
该材料具有较高的能量密度和功率密度，能够满足电动汽车、移动电子设备等领域的实际需求。
此外，富锂锰基三元正极材料还具有较好的热稳定性和安全性，能够在高温环境下保持稳定的电化学性能。
三、制备方法目前，制备富锂锰基三元正极材料的方法主要包括固相法、溶胶凝胶法、共沉淀法等。
其中，共沉淀法因其工艺简单、成本低廉等优点，受到了广泛的关注。
在共沉淀法中，通过控制沉淀条件，可以获得粒径均匀、结晶度高的富锂锰基三元前驱体。
随后，经过烧结、破碎等工艺，最终得到所需的正极材料。
四、研究进展及存在问题近年来，针对富锂锰基三元正极材料的研究取得了显著的进展。
在制备工艺方面，研究人员通过优化沉淀条件、调整烧结温度等方法，提高了材料的电化学性能。
在材料改性方面，通过掺杂其他元素、制备复合材料等方法，进一步提高了材料的循环稳定性和安全性。
然而，仍存在一些问题亟待解决。
例如，材料的容量衰减问题、高温性能的进一步提升等。
此外，制备过程中产生的环境污染问题也需要引起足够的重视。
五、解决方案及创新点针对上述问题，我们可以从以下几个方面着手解决：首先，通过深入研究材料的结构和性能关系，优化制备工艺参数，提高材料的电化学性能和循环稳定性。
其次，采用环境友好的制备方法，降低生产过程中的环境污染。
此外，通过材料改性，如掺杂其他元素、制备复合材料等手段，进一步提高材料的性能。
锂离子电池正极三元材料的研究进展及应用
锂离子电池正极三元材料的研究进展及应用一、本文概述随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，锂离子电池作为一种高效、环保的能源储存和转换方式，已经在电动汽车、移动电子设备等领域得到了广泛应用。
其中，正极材料作为锂离子电池的重要组成部分，其性能直接影响到电池的能量密度、循环寿命和安全性能。
因此，研究和开发高性能的正极材料是锂离子电池领域的重要研究方向。
本文将对锂离子电池正极三元材料的研究进展和应用进行全面的综述，旨在探讨其发展趋势和未来应用前景。
本文将简要介绍锂离子电池的基本原理和正极材料的重要性。
然后，重点分析三元材料的结构特点、性能优势以及存在的问题和挑战。
接着，综述近年来三元材料在合成方法、改性技术和应用领域的研究进展，包括纳米化、复合化、掺杂等改性手段对三元材料性能的影响。
展望三元材料在未来的发展趋势和应用前景，提出可能的研究方向和建议。
通过本文的综述，旨在为相关领域的研究人员和企业提供有益的参考和启示，推动锂离子电池正极三元材料的研究和应用进一步发展。
二、三元材料的基本性质三元材料，又称为三元正极材料，是锂离子电池中的关键组成部分，对电池的能量密度、功率密度以及循环寿命等性能起着决定性的作用。
其一般化学式可表示为LiNixCoyMn1-x-yO2 (NCM) 或LiNixCoyAlzO2 (NCA)，其中x、y、z为各元素的摩尔比例，可根据需要进行调整以优化材料的性能。
高能量密度：三元材料具有较高的比容量，这使得锂离子电池在相同体积或重量下能够存储更多的能量，因此适用于高能量需求的电子设备或电动车等领域。
良好的电化学性能：三元材料具有良好的电子导电性和离子迁移率，这有助于提高电池的充放电效率和循环稳定性。
其结构稳定，能够在充放电过程中保持结构的完整性，减少电池容量的衰减。
安全性：三元材料在高温下具有较好的热稳定性，能够有效防止电池热失控的发生。
同时，其结构中的元素均为无毒或低毒元素，对环境和人体健康影响较小。
锂离子电池高镍三元材料的研究进展
锂离子电池高镍三元材料的研究进展一、本文概述随着全球能源危机和环境污染问题日益严重，可再生能源的开发和利用受到了广泛关注。
锂离子电池作为一种高效、环保的储能技术，被广泛应用于电动汽车、便携式电子设备等领域。
高镍三元材料（NCA、NMC等）作为锂离子电池正极材料的代表之一，因其高能量密度、低成本等优点，近年来成为了研究的热点。
本文旨在综述锂离子电池高镍三元材料的研究进展，包括其晶体结构、合成方法、性能优化以及应用前景等方面，以期为相关领域的研究提供参考和借鉴。
本文将介绍高镍三元材料的晶体结构和基本性能，阐述其作为锂离子电池正极材料的优势与不足。
将重点综述高镍三元材料的合成方法，包括固相法、溶液法、熔融盐法等，并分析各种方法的优缺点。
在此基础上，本文将进一步探讨高镍三元材料的性能优化策略，如表面包覆、掺杂改性等，以提高其循环稳定性、倍率性能等。
本文将展望高镍三元材料在锂离子电池领域的应用前景，探讨其未来的发展方向和挑战。
通过本文的综述，期望能够为锂离子电池高镍三元材料的研究和应用提供有益的参考和启示，推动该领域的技术进步和发展。
二、高镍三元材料的结构与性能高镍三元材料，通常指的是NCA（镍钴铝）和NMC（镍锰钴）等富镍正极材料，其中镍的含量通常超过50%。
这些材料因其高能量密度和良好的循环性能而受到广泛关注。
高镍三元材料的晶体结构通常为层状结构，属于α-NaFeO₂型六方晶系。
在这种结构中，镍、钴和锰（或铝）离子占据3a位置，氧离子占据6c位置，形成八面体配位。
镍离子因其较高的氧化态（+3或+4）而占据锂层中的部分位置，这有助于提高材料的能量密度。
然而，高镍含量也带来了结构不稳定性的问题，因为镍离子半径较大，容易引起晶格畸变。
高镍三元材料具有较高的比容量和较高的能量密度，这使得它们成为下一代锂离子电池的理想选择。
例如，NCA材料的理论比容量可以达到275 mAh/g，远高于传统的钴酸锂（LCO）材料（约140 mAh/g）。
锂离子电池正极材料改性的研究与应用
锂离子电池正极材料改性的研究与应用锂离子电池是一种重要的储能装置，广泛应用于电动车、移动通信、储能系统等领域。
正极材料作为锂离子电池中的关键部分，对电池性能起着至关重要的作用。
为了提高锂离子电池的性能，科学家和研究人员们进行了不懈的努力，其中一项重要的研究内容是对锂离子电池正极材料进行改性。
改性的目的是通过改变正极材料的结构和性质，来提高电池的容量、循环寿命和安全性能。
下面将介绍一些常见的锂离子电池正极材料改性方法和应用。
首先，一种常见的改性方法是通过表面包覆。
这种方法通常通过将正极材料的表面包覆上一层稳定的材料，可以减少材料的表面反应，从而提高电池的安全性和循环寿命。
常见的包覆材料有氧化铝、氧化锆、磷酸铁锂等。
这些包覆材料具有良好的化学稳定性和导电性能，能够有效防止正极材料与电解液的直接接触，从而减少潜在的副反应和损失。
其次，另一种改性方法是掺杂。
通过引入一些杂质或离子到正极材料中，可以改变其电子结构和离子运输行为，从而提高电池的性能。
掺杂可以调节材料的导电性、离子扩散速率和结构稳定性。
常见的掺杂元素有过渡金属氧化物、过渡金属磷酸盐等。
例如，利用掺杂的锰酸盐作为正极材料，可以提高锰酸锂电池的循环寿命和容量。
另外，一种常见的改性方法是结构调控。
通过改变正极材料的晶体结构和晶体形貌，可以改变材料的电子传输和离子扩散路径，从而提高电池的性能。
例如，通过控制正极材料的晶粒尺寸和分布，可以增加材料的表面积，提高锂离子的嵌入和脱嵌速率。
此外，使用纳米材料或多孔材料作为正极材料，可以增加材料的储能量和电子传输通道。
在实际应用中，改性后的锂离子电池正极材料显示出了显著的性能提升和广阔的应用前景。
首先，改性后的正极材料具有更高的比容量和能量密度，能够提供更长的续航里程和更持久的电力输出。
这对于电动车、移动通信和便携式电子设备来说至关重要。
其次，由于改性后的正极材料具有更好的循环稳定性和寿命，锂离子电池的循环次数和使用寿命得到了显著延长。
锂离子电池高镍三元正极材料表面改性研究进展
㊀第56卷第3期郑州大学学报(理学版)Vol.56No.3㊀2024年5月J.Zhengzhou Univ.(Nat.Sci.Ed.)May 2024收稿日期:2023-08-31基金项目:国家自然科学基金面上项目(52272242)㊂第一作者:李静(2000 ),女,硕士研究生,主要从事电化学储能研究,E-mail:1650193197@㊂通信作者:许春阳(1991 ),男,讲师,主要从事电化学储能研究,E-mail:chunyangxu@㊂锂离子电池高镍三元正极材料表面改性研究进展李㊀静1,㊀梁雅文1,㊀李㊀威2,㊀叶㊀飞1,2,㊀崔鑫炜1,㊀许春阳1(1.郑州大学㊀河南先进技术研究院㊀河南郑州450003;2.新乡天力锂能股份有限公司㊀河南新乡453002)摘要:高镍三元材料存在表面结构不稳定㊁锂镍混排㊁晶间裂纹等问题,导致材料的循环性能降低以及高比容量无法充分发挥,表面包覆是解决上述问题的主要手段㊂目前的包覆材料主要有电化学惰性材料㊁离子/电子电导性材料和复合包覆材料,从这三个方面综述了高镍三元材料的表面改性研究㊂介绍了不同类型包覆材料的界面改善稳定机制㊁离子在固液界面的迁移率提升机理㊁界面副反应抑制机制以及对材料电化学性能的影响,并对高镍三元正极材料包覆改性的发展方向进行了展望㊂关键词:锂离子电池;高镍三元;正极材料;表面改性中图分类号:TM911文献标志码:A文章编号:1671-6841(2024)03-0041-08DOI :10.13705/j.issn.1671-6841.2023207Research Progress on Surface Modification of High-nickel TernaryCathode Materials for Lithium-ion BatteriesLI Jing 1,LIANG Yawen 1,LI Wei 2,YE Fei1,2,CUI Xinwei 1,XU Chunyang 1(1.Henan Institute of Advanced Technology ,Zhengzhou University ,Zhengzhou 450003,China ;2.Xinxiang Tianli Lithium Energy Co.,Ltd ,Xinxiang 453002,China )Abstract :Problems of high-nickel ternary materials such as unstable surface structure,lithium-nickelco-segregation,and intergranular cracking led to a decrease in the cycling performance of the materials and inability to fully utilize high specific capacity.Surface coating was the primary approach to address these problems.Currently,coating materials mainly included electrochemically inert materials,ion /elec-tron-conductive materials,and composite coating materials.A review was conducted on the surface modi-fication research of high-nickel ternary materials from these aspects.The mechanisms for interface im-provement and stabilization of different types of coating materials,enhancement of ion migration at the solid-liquid interface,suppression of interface side reactions,and their impacts on the electrochemical performance were introduced.The development directions of surface modification of high-nickel ternarycathode materials were also discussed.Key words :lithium-ion battery;high-nickel ternary;cathode material;surface modification0㊀引言随着化石能源的逐渐匮乏以及环境污染的日趋严峻,高性能电化学储能器件的研发已经刻不容缓㊂在众多储能器件中,锂离子电池(lithium-ion battery,LIB)具有高能量密度㊁长循环寿命和高能量转换效率,已成为电动汽车和便携式电子设备最主要的能量来源㊂在锂离子电池正极材料中,高镍三元正极材料NCM /NCA (LiNi x Co y Mn z O 2和LiNi x Co y Al z O 2,x +y +z =1)在能量密度上具有巨大优势,是动力电池市场的主导材料㊂郑州大学学报(理学版)第56卷以NCM为例,其具有α-NaFeO2型层状结构,属六方晶系,R-3m空间群㊂Ni2+㊁Co3+和Mn4+共同占据八面体中心位置,以立方密堆积方式形成层状排列[1]㊂开发高镍三元正极材料可以满足人们日益增长的能量密度需求㊂但是,高镍三元材料存在一些不足之处,包括表面结构不稳定㊁锂镍混排㊁晶间裂纹等[2]㊂为了解决上述问题,研究者们提出了各种改性策略,主要包括表面包覆㊁晶内掺杂和晶体形貌控制,这些策略在改善三元材料电化学性能方面展现出了良好的效果㊂其中,表面改性是最常用㊁最有效的方法之一㊂目前,高镍三元材料表面改性所选的包覆材料主要有电化学惰性材料㊁离子电导性材料和电子电导性材料,并在此基础上发展到复合包覆㊂本文综述了高镍三元材料的表面改性研究进展,通过介绍不同类型包覆材料的保护机制和对材料电化学性能的影响,进而剖析目前各种包覆材料的优势及存在的问题,并展望了高镍三元正极材料包覆改性的未来发展趋势㊂1㊀电化学惰性材料电化学惰性材料主要有金属氧化物㊁金属氟化物和金属磷酸盐等,它们能有效阻隔三元正极材料和电解质之间的直接接触,有助于防止HF的侵蚀和界面副反应的发生㊂1.1㊀金属氧化物包覆材料金属氧化物包覆材料主要有Al2O3㊁ZrO2㊁TiO2㊁WO3等㊂金属氧化物包覆层可以与HF反应转化为金属氟化物,达到消除HF的目的,从而降低电解液的酸性,提升电极的结构稳定性㊂但是,这些氧化物的Li+传输速率和电子导电性相对较低,会造成包覆界面电子和离子传输阻力的增加㊂Al2O3是最常用的金属氧化物包覆材料㊂Wu 等[3]通过聚合物辅助溶胶-凝胶法在NCM622材料表面上实现微孔聚合物/γ-Al2O3保护层的构建㊂这种包覆层能有效减轻NCM622材料的电极-电解液界面副反应的发生,使材料在高压循环下的电化学性能得到显著的提升,其循环稳定性和倍率性能分别比原始材料提高了22.8%和26%㊂Ma等[4]利用水热合成法制备了NCM622单晶颗粒,然后以三异丙氧基铝为铝源通过干混烧结的方法形成Al2O3包覆层㊂13nm厚的Al2O3包覆层使NCM622的放电比容量㊁倍率性能和循环性能均得到大幅度提升,但是过厚的Al2O3包覆层也会使NCM622的储锂性能降低㊂ZrO2具有较高的化学稳定性,ZrO2包覆能有效缓解电解液的分解㊂Kim等[5]给出了ZrO2包覆样品的SEM图和带隙能量图,如图1所示㊂可以看出,其通过简单的还原反应,将白色单斜ZrO2转化为黑色的缺氧四方ZrO2-x,降低了材料的能带能(图1(b)),并成功地将其修饰在高镍正极NCM811表面(图1(a))㊂黑色ZrO2-x通过电感保持Ni2+的高氧化态,有效地抑制了在高压4.5V充电过程中的气体析出㊂图1㊀ZrO2包覆样品的SEM图和带隙能量图[5] Figure1㊀SEM images and Tauc of ZrO2coated sample[5] TiO2由于其电化学性质不活泼以及具有电荷补偿作用而被用作包覆材料㊂Mo等[6]通过湿法包覆将TiO2引入NCM622样品的二次粒子表面㊂TiO2与残留的锂化合物反应生成Li2TiO3并充当隔离层,减少了副反应的发生㊂此外,通过该方法还获得了从外到内不同Ti4+浓度的扩散层,这不仅强化了初级粒子,减少了随机取向晶粒之间的间隙,所提供的包覆层还有助于将Ti4+扩散到NCM622的晶格中,从而增加了晶格层间距,使随后的Li+迁移更加容易,迁移速率有所增加,并且机械强度和界面稳定性也会更高㊂因此,NCM622样品的循环稳定性得到增强㊂WO3具有较高的电子电导率(1.76S㊃cm-1),且作为酸性氧化物,其具有更好的耐HF蚀性㊂此外,WO3还可以和锂化合物反应,有助于消除部分残留在NCM材料表面上的碱性化合物㊂Gan等[7]将一定量的WO3溶解在H2O2中,并将其分散在无24㊀第3期李㊀静,等:锂离子电池高镍三元正极材料表面改性研究进展水乙醇中,然后再和NCM811混合蒸发高温烧结,形成WO3包覆㊂研究结果表明,WO3包覆改性在一定程度上降低了NCM811的极化,提高了NCM811的倍率和循环性能㊂此外,SiO2由于具有电化学活性低㊁储量丰富㊁环境友好㊁价格低廉等优点而备受人们关注㊂其同样可以与HF反应,保护正极颗粒免受电解液的侵蚀,缓解循环过程中的表面结构退化㊂Li等[8]采用静电引力法,通过调整SiO2溶胶悬浮体与NCM715之间的电动电位,将SiO2溶胶均匀吸附在NCM715表面,然后经过热处理形成SiO2包覆层㊂NCM715表面的SiO2包覆层减少了电解液与正极之间的反应,保护了电极的层状结构,减小了界面阻抗,即使在4.5V的高截止电压下,依然能表现出良好的电化学稳定性㊂1.2㊀金属氟化物包覆材料最主要的金属氟化物包覆材料是AlF3㊂AlF3包覆层可以通过缓解晶格膨胀来抑制循环过程中的锂镍混排和锂损失㊂此外,它还可以抑制高镍三元材料在储存过程中表面残碱的产生,提高高镍三元材料与电解质之间的界面稳定性㊂传统的干法或湿法构筑的包覆层对层结构的厚度和保形性的可控性较小,因此包覆层通常是不均匀的,这会导致电极的离子和电子传输阻力增加㊂原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)技术是一种先进的构建包覆层技术㊂此技术可以在具有较高比表面积的基材上沉积薄膜,即使几何形状不规则,也可以精确控制其沉积厚度,保证沉积的均匀性㊂Yang等[9]使用三甲基铝和HF-吡啶作为前驱体材料,然后利用ALD技术在NCM811表面上均匀地形成AlF3纳米包覆层㊂结果表明,AlF3保护层抑制了锂镍混排,稳定了NCM811的结构㊂Li等[10]通过溶液法成功合成了AlF3包覆的Li[Ni0.80Co0.15Al0.05]O2,制备过程中首先将原始的Li[Ni0.80Co0.15Al0.05]O2粉末浸入Al(NO3)3稀溶液中,然后逐滴加入NH4F溶液,通过沉淀反应形成不同包覆厚度的AlF3㊂与原始Li[Ni0.8Co0.15Al0.05]O2相比,0.5%AlF3包覆层样品在不同测试温度下均表现出较高的容量保持率和倍率性能㊂1.3㊀金属磷酸盐包覆材料金属磷酸盐包覆材料主要有AlPO4㊁MnPO4等㊂金属磷酸盐在界面附近有转化成非晶态的趋势,这个过程可抑制相变的发生,使三元材料内部和界面处的结构更加稳定,提高材料的循环稳定性㊂Tang等[11]通过简单的干混和煅烧,成功合成了AlPO4改性的NCM622㊂研究结果表明,在NCM622表面上Al和P的存在形式分别是LiAlO2和Li3PO4,它们是由AlPO4和NCM622在煅烧过程中发生化学反应产生的㊂Al取代Ni位生成LiAlO2和Li3PO4包覆层,共同稳定了NCM622的结构㊂尽管与原始NCM622相比,在0.1C倍率时初始放电比容量有所降低,但是AlPO4提高了循环性能并缓解了高温状态下的晶格应变,提升了材料的结构稳定性,降低了微裂纹的产生㊂Liu等[12]也将AlPO4在NCM811正极材料上形成Li3PO4-LiAlO2包覆层,并研究了不同AlPO4包覆量对样品的改性㊂NCM811表面形成的Li3PO4-LiAlO2保护层不仅可以减轻表面附近的层状结构退化生成盐岩相,还可以防止HF和H2O对本体材料的侵蚀,从而使材料的结构更加稳定㊂Wu等[13]首次将非水溶液中的成膜工艺用于三元正极材料AlPO4的改性,这种方法克服了沉淀方法中包覆层不均匀的难点㊂AlPO4质量分数可控制在0.2%,这远低于之前大多数文献中的含量,超薄包覆层可以最大限度地减少包覆层的形成对Li+扩散速率㊁电子电导率和能量密度的影响,但较薄的包覆层也更容易消耗殆尽㊂2㊀离子/电子电导性材料2.1㊀离子电导性材料高镍三元正极材料的倍率性能较差,主要源于Li+在层状结构中的二维扩散通路和阻碍Li+扩散的锂镍混排,这些因素限制了它们在高功率密度领域的应用㊂Huang等[14]通过溶胶-凝胶法将Li2MnO3纳米域引入初级NCM811颗粒的层状结构中,并在这种集成结构中构建许多域边界,从而形成三维离子扩散网络,Li2MnO3包覆NCM811样品的TEM图和选区电子衍射图如图2所示㊂在这种体系中,由于颗粒尺寸减小诱导出了中空结构,增加了Li+的迁移速率,同时Li2MnO3纳米域整合到NCM811基体中,阻碍了锂镍混排的形成㊂上述因素共同促成了Li+的快速传输,从而提高了NCM811的倍率性能㊂LiAlO2具有优异的Li+传输性能㊂LiAlO2包覆层不仅可以稳定正极和电解质之间的界面结构,而且由于其提供了良好的Li+脱嵌过程的传输网络,可以显著提高电化学性能㊂Tang等[15]设计了一种通过蚀刻诱导包覆层策略,在高镍NCM811正极材料上形成γ-LiAlO2保护层和Li+导电性包覆层,以提34郑州大学学报(理学版)第56卷图2㊀Li2MnO3包覆NCM811样品的TEM图和选区电子衍射图[14]Figure2㊀TEM images and selected area electrondiffraction pattern of Li2MnO3-coated NCM811[14]高其电化学性能㊂性能提升主要是由于Al3+扩散到NCM811的晶格内部,可以减轻锂镍混排并增强结构稳定性㊂LiAlO2包覆层为Li+提供了良好的传输网络,提高了结构稳定性并防止核心材料受到电解液的侵蚀㊂Li2TiO3具有较宽的工作电压㊁较高的热稳定性和快速的Li+传输动力学,被认为是有效的用于三元正极表面修饰的包覆层材料㊂He等[16]提出一种新型的Li2TiO3纳米颗粒包覆层,避免了Ti4+的掺杂造成的锂镍混排过程的恶化㊂纳米Li2TiO3包覆的NCA8155显示出几乎没有变化的形貌结构和较低的表面残碱,因此Li2TiO3包覆层显著提升了循环稳定性和倍率性能㊂最优异的表面包覆层不仅能通过阻断电解质和电极表面上高活性阳离子之间的物理接触来解决不稳定性问题,还能稳定电极中晶格氧离子,改善Li+的迁移率㊂Wang等[17]提出了一种直接调控策略,用于适应固相中的高活性阳离子㊂通过利用锂镧镍氧双离子导体(层状钙钛矿La4NiLiO8)包覆层中稳定的氧空位和间隙,显著抑制了表面晶格氧离子的活性,抑制了晶格中的氧释放以及不可逆相变和晶间机械裂纹㊂同时,引入的双离子导体还可以改善Li+在颗粒表面的扩散动力学和材料本体的电子导电性㊂另外,Li等[18]首次采用简单的一步法制备了结构和界面可靠的B掺杂和La4NiLiO8包覆改性的NCM811正极㊂La4NiLiO8包覆层可以防止电极遭受电解液的腐蚀,并提升Li+的传输动力学㊂此外, B掺杂可以有效地抑制有害的H2~H3相变,并将初级粒子的取向调整为径向排列,这阻碍了由于晶体各向异性导致的体积变化而引起的微裂纹产生㊂Yang等[19]通过一种简单的方法成功地制备了La和Al共掺杂和包覆改性的NCM811㊂XRD和XPS证实,La和Al不仅可以掺杂到NCM811本体中,而且可以在表面形成La2Li0.5Al0.5O4包覆层㊂高压电化学性能的提高主要归因于La和Al通过共掺杂增强了体相结构,形成的La2Li0.5Al0.5O4包覆层作为高T c超导氧化物,不仅促进了Li+的传输,而且保护了材料免受电解质的侵蚀㊂此外,残留的锂盐还能通过形成La2Li0.5Al0.5O4而被还原㊂电化学性能的提升表明,La2Li0.5Al0.5O4包覆层的改性和La-Al共掺杂是NCM811材料大规模工业化生产的一种有竞争力的方法㊂Wang等[20]引入晶体结构相似的钙钛矿相来 铆钉 层状结构的膨胀收缩,钉扎效应显著减轻了由于晶体结构的体积变化所带来的有害结构演变㊂与传统材料相比,每个循环中的晶格应变演变减少了近70%,这显著增强了二次颗粒的完整性,从而提高了电池的可逆循环性能㊂这种应变抑制方法拓宽了晶格工程的应用前景,以释放锂嵌(脱)产生的应变,并为开发具有长寿命的高能量密度正极铺平道路㊂Wang等[21]提出一种利用富锂和富锰层状氧化物(lithium-and manganese-rich layered oxide,LMR)的低应变材料在富镍层状氧化物(nickel-rich lay-ered oxide,NLO)正极上重建稳定表面的策略㊂新的表面结构不仅由梯度结构组成,而且形成了丰富的氧空位和阳离子有序的缺陷结构,这种结构可以同时提升Li+的扩散速率并在锂嵌(脱)过程中稳定晶体结构㊂NLO中的这些特征显著改善了电化学性能,特别是在高压循环下的稳定性㊂Tan等[22]通过在NCM811的层状相中引入尖晶石状榫卯结构,可以显著抑制正极材料中不利的体积变化㊂同时,该榫卯结构对Li+的快速传输起到了类似高速公路的作用㊂此外,具有榫卯结构的颗粒通常以最稳定的(003)面终止㊂该工作提供了一种可行的晶格工程,以解决NLO的稳定性和低首次库仑效率的问题,并有助于实现具有高能量密度和长耐久性的锂离子电池㊂Cai等[23]提出了高压诱导析氧的理论,并报道了一种镧系化过程,以调节正极材料的近表面结构,并将这种超越传统的表面修饰推广到贫钴/无钴高44㊀第3期李㊀静,等:锂离子电池高镍三元正极材料表面改性研究进展能量密度层状正极中,证明了有效的表面钝化抑制了表面降解和改善了电化学性能,高压循环稳定性大大增强,最高可达4.8V(相对于Li+/Li)㊂所设计的表面相在高电压下抑制了析氧反应㊂表明通过高氧活性钝化㊁选择性化学合金化和使用湿化学的应变工程进行改性,能获得高性能层状氧化物正极材料㊂Yang等[24]制备了Li0.5La2Al0.5O4(LLAO)原位包覆层和Mn离子补偿掺杂的多层LiNi0.82Co0.14Al0.04O2㊂XRD精修表明,La-Mn协同改性可以实现适当的锂镍混排㊂计算结果和原位XRD分析表明,LLAO包覆层能够有效地抑制二次颗粒中的机械裂纹,这得益于内部晶体应变被抑制㊂测试结果表明,LLAO-Mn改性的循环后的正极具有更完整的形貌,与电解液的副反应更少㊂进一步研究了气体析出时的正极电解质界面,表明NCA-LM2比NCA-P释放更少的CO2,从而达到更稳定的表面㊂2.2㊀电子电导性材料石墨烯具有大的比表面积㊁优异的电子导电性和机械性能,其化学性质稳定㊂石墨烯的引入可以有效地提高电极材料表面的电子电导率㊁电容性能等㊂Luo等[25]通过模板自组装法制备了一种具有三维纳米结构的NCA8155/石墨烯复合材料(G-NCA8155)㊂首先将制备的石墨烯溶在无水乙醇中,在大功率超声搅拌下形成均匀的石墨烯分散液,然后把NCA8155粉末加入上述溶液中,将混合物轻微超声搅拌自组装,透析㊁干燥后得到G-NCA8155㊂石墨烯三维网络增加了材料的比表面积,同时协同效应能够提高电子导电性和稳定晶体结构,从而显著提高倍率性能和循环稳定性㊂Tian等[26]通过共沉淀和水热反应制备了一种具有独特结构的三维多孔石墨烯气凝胶包裹的NCM622纳米颗粒(NCM@GA)㊂由于其高导电性和大量相互交织的开放孔结构,自组装后的石墨烯气凝胶网络可以极大地加快电子和离子的传输速率,提升电化学反应动力学㊂此外,分散良好的NCM622纳米颗粒可以提供更大的电极-电解质界面并促进Li+的快速传输㊂因此,三维导电结构和分散良好的纳米粒子的协同作用可以有效地增强NCM@GA材料的电化学性能㊂Liu等[27]用蔗糖和葡萄糖作为碳料,在NCA8155表面构建纳米碳包覆层㊂结果表明,以蔗糖为碳源构建的包覆层具有更好的电化学性能㊂原因是葡萄糖碳化后形成的包覆层较致密,而蔗糖形成的包覆层相对疏松,内部分布着尺寸较大的孔结构㊂这样的碳包覆层具有较大的比表面积,有利于电解液的浸润,同时也有利于Li+的脱嵌和迁移,并能减缓电解液对本体材料的侵蚀㊂Cao等[28]制备了集聚苯胺(PANI)优异的电子导电性和聚乙二醇(PEG)的高离子导电性于一体的双功能导电聚合物,用于NCM811材料的表面改性,获得高性能NCM@PANI-PEG复合材料㊂具有高弹性和高柔韧性的PANI-PEG聚合物在减轻循环过程中NCM811材料的体积收缩和膨胀方面发挥着至关重要的作用㊂过渡金属的溶解是由电解液分解产生的HF腐蚀引起的,这会对电化学性能产生不利的影响㊂在相同的储存时间下,表面改性电极中Ni㊁Co和Mn过渡金属的溶解量均低于未修饰的电极㊂包覆到NCM811颗粒表面的PANI-PEG保护层提供了物理屏障,以防止正极材料被HF侵蚀,从而抑制过渡金属的溶解,进而提高主体材料在高温下的循环稳定性㊂苝-3,4,9,10-四羧酸二酐(PTCDA)是一种具有高化学稳定性的N型有机半导体材料㊂PTCDA的高电子亲和力(约3.6eV)导致附加负电荷更容易稳定化,为黏附石墨烯提供了理论基础㊂从结构上看,PTCDA分子为二维共轭π电子体系,其所携带的苯环与石墨烯的六方结构是一致的㊂Ning等[29]在PTCDA的作用下,通过简单的物理混合来制备均匀的rGO包覆的NCM811(PG-NCM)材料㊂在使用PG-NCM作为正极材料时,rGO纳米片和PTCDA的协同作用可以提供更好的电子导电性和更稳定的电极-电解质界面㊂特别是P1G1-NCM(仅含质量分数1.0%的添加剂)在所有样品中表现最佳,在1C 倍率下达到了194.1mAh㊃g-1的放电比容量,在循环100次后容量保持率为92.8%,并且在高倍率下性能也得到了提升(10C倍率下放电比容量达到122.1mAh㊃g-1)㊂3㊀复合包覆材料3.1㊀电子电导性材料和金属氧化物复合包覆通过电子电导性材料和金属氧化物复合包覆层可以同时改善正极材料的导电性和结构稳定性㊂在这种方法中,其中一种成分可以通过保护表面免受不需要的副反应来提高循环性能,而另一种成分则提升了电子导电性能,提高了放电比容量㊂Y2O3作为包覆剂,使用石墨烯作为导电添加剂㊂Y2O3属于稀土元素氧化物,具有很高的热稳定性㊂Loghavi等[30]通过湿法化学煅烧的方法用Y2O354郑州大学学报(理学版)第56卷修饰NCA811正极材料,并将制备的材料与石墨烯机械混合㊂电化学性能测试表明,NCA811㊁Y 2O 3/NCA811和石墨烯/Y 2O 3/NCA811材料在2C 倍率下分别提供109㊁136和164mAh ㊃g -1的放电比容量㊂石墨烯/Y 2O 3/NCA811材料在100次循环后(0.5C)依旧拥有180mAh㊃g-1的放电比容量,而原始NCA811仅提供了87mAh ㊃g -1的放电比容量㊂3.2㊀离子电导性和电子电导性材料复合包覆在材料表面构建一种具有高离子和电子导电性的双功能包覆层,可以提高电池在循环过程和离子储存过程中的稳定性㊂本体材料㊁离子包覆材料㊁电子包覆材料和电解质共同形成了四相正极-电解质界面,这对容量保持率的大幅度提高起到了关键作用㊂Yang 等[31]在NCM811表面构建了具有高离子和电子电导率的多功能包覆层,以提高电池在循环过程中的稳定性㊂磷酸与原始NCM811上残留的锂盐发生反应,形成具有碳纳米管穿透的Li 3PO 4包覆层,具有高离子和电子导电性㊂NCM811㊁Li 3PO 4㊁CNT 和电解质共同形成四相正极-电解质界面,这对提高容量保持率起到关键作用,在0.5C 倍率下循环500次后,容量保持率从原始的50.3%提高到84.8%㊂改进后的NCM811在高截止电压4.5V㊁高温55ħ和10C 倍率下依旧具有出色的电化学性能㊂此外,在高湿度空气中暴露2周后,它还可以在500次循环后提供154.2mAh㊃g -1的放电比容量㊂CNT-LPO-NCM 的机理示意图和循环性能如图3所示㊂图3㊀CNT-LPO-NCM 的机理示意图和循环性能[31]Figure 3㊀Schematic diagram of mechanism and cycling performance of CNT-LPO-NCM [31]为了提高锂离子电池正极材料的离子和电子导电性,Na 等[32]提出一种具有高离子导体Li 1.3Al 0.3Ti 1.7[PO 4]3(LATP )和高电子导体多壁碳纳米管的Li 1.03(Ni 0.88Co 0.08Mn 0.04)O 2正极材料的表面改性,LATP 粉末使用改进的Pechini 方法制备而成㊂表面改性的高镍NCM 电极,其表面高离子和电子导电网络能够实现Li +和电子的快速传输,从而显著增强充放电循环期间的电化学性能㊂3.3㊀离子电导性材料和金属氧化物复合包覆金属氧化物可以保护材料免受电解液的侵蚀,金属氧化物包覆层可以提高材料界面结构的稳定性,提升电池的循环性能㊂离子电导性材料包覆层可以增强Li +的传输能力,提高电池的倍率性能㊂离子电导性材料和金属氧化物复合包覆层可以同时提高电池的容量保持率和倍率性能㊂Maiti 等[33]采用了一种简单有效的ALD 包覆策略,用Al 2O 3㊁Li 5AlO 4和Na 5AlO 4对NCM424粉末材料进行表面包覆,从而提高了其氧化还原活性,抑制不可逆的氧从晶格中释放出来㊂在1C 倍率下超过400次循环后,未包覆的NCM424材料的放电比容量仅有63mAh ㊃g -1,而具有复合包覆层的NCM424材料显示出大约两倍的放电比容量㊂通过XPS 光谱和电压分布进行分析,得出了改性后的NCM424材料的表面锰从四价态部分还原到较低的价态㊂根据研究结果,在有ALD 包覆层的情况下,表面锰的还原可能是由于三甲基铝挥发性物质通过其在正极材料表面的分解反应与它们接触而发生的㊂这项工作的关键发现是,与所有包覆的正极材料相比,通过阳离子氧化(Ni 2+/Ni 4+,Co 3+/Co 4+)传递的电荷容量和经过阴离子氧化证实的电荷容量均略低于未包覆材料㊂该发现可能与NCM424颗粒表面包覆层上形成的修饰电极-电解质界面有关㊂4㊀结语高镍三元正极材料因其具有高能量密度而备受科研人员关注㊂然而,这些材料存在着一系列问题,如对空气敏感㊁与电解液反应㊁阳离子混排㊁晶格氧析出㊁过渡金属离子迁出以及微裂纹形成等,这些问题限制了高镍三元正极材料的应用与发展㊂包覆是高镍三元正极材料表面改性的重要方法㊂常用的包覆材料有电化学惰性材料㊁离子电导性材料㊁电子电导性材料㊂在此基础上发展到复合包覆,常见的复合包覆有电子电导性材料和金属氧化物复合包覆㊁离子电导性和电子电导性材料复合包覆㊁离子电导性材料和金属氧化物复合包覆㊂包覆材料不仅可以保护材料表面和提高材料的结构稳定性,还可以提高离子或电子的传输能力,提高材料的电化学性能㊂64。
锂离子电池正极材料的改性与性能提升
锂离子电池正极材料的改性与性能提升锂离子电池作为一种常见的能源储存设备，广泛应用于电动汽车、移动通信和可穿戴设备等领域。
而电池的正极材料是决定其性能的重要因素之一。
为了提高锂离子电池的性能，研究人员们进行了许多正极材料的改性工作。
本文将探讨一些目前常用的锂离子电池正极材料改性方法及其对性能的影响。
一、氧化物改性氧化物作为锂离子电池正极材料的主要成分之一，其改性可以显著提高电池的性能。
例如，一些研究者通过掺杂一些过渡金属离子（如铁、铜、锰等）来改善材料的导电性能和稳定性。
这些过渡金属离子能够提供更多的导电路径，提高电池的充放电效率和循环稳定性。
二、导电聚合物改性导电聚合物是另一种常见的正极材料改性方法。
与传统的氧化物相比，导电聚合物具有更高的电导率和更好的机械柔韧性。
在改性过程中，研究人员经常使用聚合物复合物或者石墨烯等导电材料来改善正极材料的导电性能和机械强度。
这种改性方法在大容量和高倍率充放电性能方面表现出较好的优势。
三、离子液体改性离子液体作为一种新型的电解质，被广泛用于锂离子电池的改性中。
通过改变电解液的组成和性质，可以提高电池的能量密度和循环寿命。
另外，通过引入一些具有新型键合结构的离子液体，能够进一步改善电池的安全性和循环性能。
四、纳米尺度改性纳米材料的引入可以改变正极材料的结构和性能。
研究表明，纳米颗粒能够提供更多的反应活性位点，增加电池的容量和循环寿命。
此外，纳米材料还可以通过控制颗粒尺寸和形貌来调控电池的电荷传输和离子扩散速率。
综上所述，锂离子电池正极材料的改性是提高电池性能的关键因素之一。
在当前的研究中，氧化物改性、导电聚合物改性、离子液体改性和纳米尺度改性等方法被广泛应用。
通过这些改性手段，可以提高电池的容量、倍率性能和循环稳定性。
未来，随着材料科学的不断发展和技术的进一步创新，锂离子电池的性能将会得到更大的提升，为我们的日常生活带来更便利的能源储备方式。
锂离子电池三元高镍正极材料的改性及电化学性能研究
参考内容二
标题：碳化硅电力电子器件技术 发展现状与趋势
随着科技的不断进步，电力电子器件技术在全球范围内取得了显著的突破。 近年来，碳化硅（SiC）电力电子器件技术的快速发展，更是为电力电子产业打 开了新的大门。本次演示将深入探讨碳化硅电力电子器件技术发展现状及其未来 趋势。
一、碳化硅电力电子器件技术概 述
1、溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法是一种常用于制备无机薄膜材料的方法。在 制备LiCoO2薄膜时，首先将LiCoO2的可溶性前驱体溶于溶剂中形成溶胶，然后将 溶胶涂敷在基底上，经过干燥、热处理等步骤制备成薄膜。该方法的优点是制备 过程简单、易于控制，但制备出的薄膜均匀性和稳定性有待提高。
2、化学气相沉积法：化学气相沉积法是一种在低压高温下，通过气态物质 之间的化学反应在基底上生成固态薄膜材料的方法。在制备LiCoO2薄膜时，反应 气体如钴源、锂源和氧气在高温下反应生成LiCoO2薄膜。该方法的优点是薄膜质 量高、均匀性好，但设备成本高，工艺复杂。
3、更低的制造成本：虽然碳化硅电力电子器件在某些方面的性能优于传统 的硅基器件，但其制造成本仍然较高。未来，随着技术的进步和产业规模的扩大， 有望实现更低的制造成本。
4、更环保的制造过程：随着环保意识的提高，对电力电子器件制造过程的 环保要求也在不断提高。因此，未来碳化硅电力电子器件的制造过程可能会更加 环保。
三、碳化硅电力电子器件技术发 展趋势
尽管碳化硅电力电子器件技术已经取得了广泛的应用，但未来的发展仍然具 有广阔的前景。以下是一些可能的发展趋势：
1、更高的性能：随着科技的进步，对电力电子器件的性能要求也在不断提 高。未来，碳化硅电力电子器件可能会通过材料和设计的改进，实现更高的性能 提升。
2、更广泛的应用领域：除了现有的应用领域，碳化硅电力电子器件还可能 在其他领域得到更广泛的应用，如航空航天、航海等。
锂电池镍钴锰三元材料最新研究进展
锂电池镍钴锰三元材料最新研究进展锂电池镍钴锰三元材料是一种广泛用于储能设备和电动车辆的重要电极材料。
它具有高能量密度、良好的循环寿命和较低的成本等优势，因此备受关注。
近年来，科研人员们不断进行对其性能的改进和优化，以期进一步提高其电化学性能。
本文将综述最新的研究进展，包括材料的改性、表面修饰、结构优化以及应用领域的拓展等方面。
一、材料的改性为了提高锂电池镍钴锰三元材料的电化学性能，研究人员们通过不同的方法进行了材料的改性。
例如，通过钙离子掺杂，可以改善材料的结构稳定性和电导率。
研究发现，Ca2+可以进入材料的晶格中，稳定材料结构，提高电子和离子的迁移率，从而显著提高材料的循环寿命和倍率性能。
二、表面修饰表面修饰是改善材料电化学性能的重要方法之一、研究人员们通过给镍钴锰三元材料进行负载/包覆一些具有高容量和优良电导率的材料，如碳、金属氧化物等，以有效提高电极材料的电化学性能。
此外，表面修饰还可以抑制电极材料与电解液的副反应，减少材料的容量衰减和循环寿命的损失。
三、结构优化结构优化是指通过改变材料的晶体结构和形貌，提高其电化学性能。
研究人员们通过控制材料的颗粒大小、形貌和表面形貌等因素，有效地提高材料的能量密度和循环寿命。
例如，通过控制材料的晶粒大小，可以增加材料的表面积和离子扩散路径，提高材料的离子和电子传输效率，从而提高电池的功率密度和循环寿命。
四、应用领域的拓展锂电池镍钴锰三元材料不仅在储能设备和电动车辆中得到广泛应用，近年来还逐渐拓展到其他领域。
例如，锂电池镍钴锰三元材料在光催化、超级电容器和电催化等方面的应用也引起了研究人员们的关注。
他们通过改变材料的组成和结构，调控其光学和电化学性能，实现了在这些领域中的高效催化和能量转换。
总结起来，锂电池镍钴锰三元材料的研究进展主要包括材料的改性、表面修饰、结构优化以及应用领域的拓展等方面。
通过这些研究，不断优化材料的电化学性能，将进一步推动锂电池技术的发展，为实现可持续发展做出更大的贡献。
锂离子电池三元正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523)制备及改性
万方数据
万方数据
长沙矿冶研究院硕士学位论文
论文题目：锂离子电池三元正极材料 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523)制备及改性
作 者 姓 名 ：龚诚
指 导 教 师：习小明教授单位：长沙矿冶研究院 指 导 教 师：周友元教授单位：长沙矿冶研究院 论文提交日期：2015 年 6 月 13 日 学位授予单位：长沙矿冶研究院
(2) Sr(OH)2·8H2O was used as doped agent during the process of high compacted density NCM523 preparation under the best conditions thatlithium and metal ratio was 1.08, and the optimal sintering conditions was 960℃ and 9 hours.The impacts of the Sr mixed amount on the structure, morphology, density, compaction density and electrochemical properties of materials were studied. The compaction density was 3.72 g/cm3when the doped amount of Sr was 1300 ppm in the high compacted density NCM523 cathod materials. The fist discharge specific capacity was 150.0 mAh/g and the volume energy density was 558 mAh/cm3 under an 1C current density between 2.8~4.2V at 25℃. The capacity retention ratewas 95.7% after 100 cycles.
新一代锂离子电池三元正极材料NCM811及其改性方法的专利分析
新⼀代锂离⼦电池三元正极材料NCM811及其改性⽅法的专利分析内容提要：现代纯电动SUV采⽤的NCM811电池有哪些性能优势？国内NCM811⽣产企业现状；专利分析视⾓下NCM811电池的制备和改性研究。
⼀、⾼性能，低成本——NCM811成新⼀代型锂离⼦电池市场新宠在前不久举办的素有“国际汽车潮流风向标”之称的⽇内⽡车展上，韩国的现代汽车正式展出了⼀款纯电动SUV汽车——KonaEV，该车型将提供短续航和长续航两个版本，最⼤功率分别可达到99kW和150kW，续航⾥程分别可达到300公⾥和470公⾥，对应的电池包容量分别为39.2kwh和64kwh。
新车预计在2019年正式上市销售，售价将低于4W美元。
据悉，KonaEV的电池由LG化学提供，采⽤的是NCM811（也称NMC811）聚合物锂离⼦电池，这也是⾸款搭载NCM811电芯的新能源汽车。
这⼀信息的出现，再加上2018年我国出台的《关于调整完善新能源汽车推⼴应⽤财政补贴政策的通知》⾥⾯进⼀步明确，“⾼续航⾥程和⾼能量密度的新能源汽车是未来政策补贴考核的⽅向”，这些利好消息极⼤地调动了国内关注NCM811或已经开始布局NCM811电极材料⽣产⼚家的积极性。
NCM811是⼀种⾼镍的新型锂离⼦电池材料——三元镍钴锰（NCM）的正极材料，其化学式为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2。
该材料是近年来开发出的⼀类新型锂离⼦电池正极材料，具有能量密度⾼、循环稳定性好、成本适中等优点，与⽬前市场上常见的⼏种锂离⼦电池正极材料相⽐，其在性能⽅⾯的优势显⽽易见（⽐较情况见下表）：表1⼏类典型锂离⼦电池正极材料性能⽐较数据来源：⽅象知产研究院整理从表中可以看出，三元镍钴锰正极材料(NCM)综合了LiCoO2、LiNiO2和LiMnO2三种层状材料的优点；由于Ni、Co和Mn之间存在明显的协同效应，所以NCM的性能要好于单⼀组分的层状正极材料；同时NCM⼜⽐LiFePO4有更⾼的⽐容量，这也是NCM被认为是最有应⽤前景的新型正极材料之⼀的重要原因。
三元锂离子电池的研究与开发
三元锂离子电池的研究与开发当前，锂离子电池已经成为移动通信、电动汽车、储能等领域中最广泛应用的电池技术之一。
三元锂离子电池是锂离子电池的一种，由于其高能量密度、长寿命等特点，已经成为电动汽车、智能穿戴设备等领域的主流电池，因此也受到了广泛的研究和开发。
一、三元锂离子电池的基本原理及特点1. 基本原理三元锂离子电池的基本工作原理为：在电解质中，锂离子在正极（通常是一种富锂化合物）和负极（通常是石墨）之间交换，从而实现电荷和放电。
正极、负极和电解液都是该电池的关键部件之一，它们共同决定了电池的性能。
2. 特点三元锂离子电池具有以下特点：（1）高能量密度。
与铅酸电池和镍氢电池相比，三元锂离子电池能量密度更高，而且可以通过引入新型正极材料和电解质来进一步提高能量密度。
（2）长寿命。
三元锂离子电池寿命长，可以达到数百个充电循环。
而且，由于其稳定性好，不会像其他电池一样出现“记忆效应”。
（3）较快的充电速度和放电速度。
三元锂离子电池的充电和放电速度较快，可以满足高功率需求的应用，比如电动汽车。
二、三元锂离子电池的材料研究1. 正极材料三元锂离子电池正极材料的发展是三元锂离子电池领域中的一个热点研究方向。
目前，主要的正极材料是镍钴锰酸锂（NCM）和锂铁磷酸（LFP）。
NCM是最具有潜力的正极材料之一，具有高能量密度和较长的寿命。
随着对电动汽车能量密度的要求越来越高，NCM正极材料成为了首选。
与此同时，研究铜镍铝（CNA）和镍钴铝（NCA）正极材料也在不断进行中。
2. 负极材料三元锂离子电池的负极材料一般为炭素材料。
石墨虽然被广泛使用，但其容量密度明显低于新型炭素材料（如硅基炭材料），而且容易造成锂离子的钝化，影响电池的性能。
因此，研究新型负极材料成为了三元锂离子电池领域中的研究热点。
3. 电解质电解液是电池内部的重要组成部分之一，它决定了电池的性能和稳定性。
传统电解质采用有机碳酸酯体系，但这样的体系容易爆炸，从而出现安全隐患。
富镍锂离子电池三元材料NCM的研究进展
LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 （NCM811） 关于改善电池性能的
和(130±3)mA·h/g，电极材料结构稳定性有显著提
高。对 NCM424 中碳微球电池和电极进行热分析，
研究进展，探讨锂离子电池在电化学性能、热化学
表明循环老化使正极在较展趋势。
[1-3]
升
层厚度均匀，而 PVDF/NCM 出现颗粒团聚现象，
密度，Co 含量主要影响电池可逆比容量，Mn 含量
主要影响结构稳定性
[6-9]
高温下 （60℃） 有良好的循环性能。CMC/NCM 电
极被活性炭和黏结剂包围，表面非常平坦表明电极
。在三元材料中，Ni 含量主要影响电池能量
[4-5]
如图 1 所示，表现出碳颗粒分布均匀与强黏着性的
于这种思路进行设计。目前，针对电池中锂离子导通率与结构不可逆坍塌问题，通过包覆涂层、离子掺杂等手段
改善锂离子电池性能已经常态化，实际需求要求有更有效的改性方法。因此，本文综述了富镍锂离子电池三元材
料 LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2（NCM424）、 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2（NCM523）、 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2（NCM622）和 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2
dixit等23利用第一性原理计算研究o3型ncm523中各种过渡金属元素tm有序模式氧化还原性质热力学和锂扩散提出一种系统的方法来预测阳离子tm的有序性如图3所示为不同过渡金属在不同充电状态时的氧化态nico依次氧化mn在ncm523锂离子脱层过程中保持不活跃状态ncm523li扩散势垒低于licoo2对ncm523工作原理进行广泛离子水平分析表明ni在电化学氧化还原过程中起积极作用提高了对富镍锂离子电池研究的理论认知
三元锂电池的正极材料
三元锂电池的正极材料三元锂电池的正极材料是指由镍、钴、锰以及锂等元素合成的复合材料，也被称为镍钴锰酸锂材料，简称NCM材料。
三元锂电池是一种高能量密度和高安全性的锂离子电池，正极材料的性能对电池的性能有着重要影响。
三元锂电池的正极材料具有很多优点。
首先，NCM材料具有较高的比容量，即单位质量或单位体积的电池可以储存更多的电量。
这使得三元锂电池在同等体积和质量下能够提供更长的续航里程，因此在电动汽车和便携设备中得到广泛应用。
三元锂电池的正极材料还具有良好的高温性能。
相比于其他锂离子电池的正极材料，NCM材料在高温环境下的稳定性更高，能够保持较高的电化学性能和循环寿命。
这使得三元锂电池在高温环境下的工作更加可靠，能够满足一些特殊应用的需求。
三元锂电池的正极材料还具有较好的安全性能。
NCM材料相对于其他常用的正极材料来说，稳定性更高，不容易发生放电过程中的热失控等异常情况。
这使得三元锂电池在使用过程中更加安全可靠，大大降低了发生火灾和爆炸的风险。
然而，三元锂电池的正极材料也存在一些不足之处。
首先，NCM材料中含有的钴元素价格较高，这会直接增加电池的成本。
其次，随着充放电循环次数的增加，三元锂电池的正极材料会发生结构变化，导致电池容量的衰减。
这就意味着三元锂电池的循环寿命相对较低，需要更频繁地更换电池。
为了克服这些缺点，研究人员正在不断改进三元锂电池的正极材料。
一种方法是通过改变材料的化学成分和结构，提高电池的循环寿命和容量保持率。
另一种方法是探索新型的正极材料，如锰酸镍钴铝材料和锰酸镍钴钛材料，以进一步提高电池的性能。
总的来说，三元锂电池的正极材料是一种重要的电池材料，其性能直接影响着电池的性能和应用。
虽然存在一些缺点，但通过不断的研究和改进，相信三元锂电池的正极材料会变得更加优秀，推动锂离子电池技术的发展。
ncm材料
ncm材料NCM（镍钴锰酸锂）是一种新型的正极材料，被广泛应用于锂离子电池中。
它的化学结构是LiNiCoMnO2，其中镍、钴和锰的比例可以根据具体需求进行调整。
NCM具有较高的能量密度、较长的循环寿命和良好的安全性能，成为了电动汽车和便携式电子设备等领域中的理想选择。
首先，NCM具有较高的能量密度，这是其引人注目的特点之一。
相对于其他几种常用的正极材料，如锰酸锂（LiMn2O4）和三元材料（LiNiCoAlO2），NCM具有更高的电容量。
这意味着在相同体积和重量的条件下，NCM可以存储更多的电能，从而使电池拥有更长的续航里程或更高的使用时间。
其次，NCM具有较长的循环寿命。
循环寿命是衡量电池使用寿命的重要指标，它指的是电池在充放电过程中能保持指定容量的充电次数。
相比于锰酸锂和三元材料，NCM具有更好的循环稳定性。
这是由于镍元素的加入可以提高材料的导电性和结构稳定性，从而减缓正极材料在长时间循环使用中的结构变化和容量衰减。
此外，NCM还具有良好的安全性能。
锂离子电池由于其高电压和低电阻特性，一旦发生过充、过放、短路等故障情况，有可能引发严重的热失控和甚至爆炸。
通过调整镍、钴和锰的比例，NCM可以提高电池的热稳定性和安全性。
较低的电阻和更好的热传导性使得NCM在过充和过放情况下的热耗散能力得到了显著提高，从而降低了电池的自燃和爆炸风险。
总体来说，NCM作为一种新型正极材料，在能量密度、循环寿命和安全性能方面具有明显优势。
然而，NCM也存在一些问题，如成本较高、资源稀缺等。
为了进一步推动锂离子电池技术的发展，我们需要继续研究和改进NCM材料，以提高其综合性能并解决存在的问题。
同时，还需要加大对锂离子电池的回收利用力度，确保其可持续发展。
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锂离子电池三元正极材料（NCM）的材料改性研究＊刘奕辰（徐州市第一中学 江苏 221000）摘要：随着当今社会清洁能源以及电子设备领域的发展，人们对电池的性能提出了更高的要求。
本文以锂离子三元正极材料为研究对象，从合成方法改进、碳材料包覆、离子掺杂等方面综述了提升电极材料性能的方法。
关键词：锂离子电池；正极材料；碳包覆；离子掺杂中图分类号：T 文献标识码：AStudy on Material Modification of Lithium Ion Battery Ternary Anode Material (NCM)Liu Yichen(Xuzhou No.1 Middle School, Jiangsu, 221000)Abstract ：With the development of clean energy and electronic equipment in modern society, people put forward higher requirements forbattery performance. In this paper, lithium ion ternary anode materials are taken as the research object, and the methods to improve the performance of electrode materials are summarized from the aspects of improvement of synthesis method, carbon material coating, ion doping, etc.Key words ：lithium ion battery ；anode material ；carbon coating ；ion doping前言在当代，由于世界石油资源的枯竭和自然环境的污染，人们越来越需要新能源去改变现在的能源结构。
太阳能，风能，潮汐能，核能等越来越受到人们的重视。
但是这类能量都有连续性差的缺点。
为了满足人们日常的能源使用，需要发展储能的设备，在能量产能过量的时候储存起来，在能量不足的时候进行释放。
这一观点在近年来发展迅速的电动汽车领域体现的更为显著。
因此，我们需要制造高性能的电池来满足我们的需求。
在电动汽车的实际应用过程中，需要我们的电池能够提供强大动力以保证汽车具备良好的加速性能以及续航能力，这就需要电池具备高能量密度以及高倍率性能。
锂离子电池中正极材料的好坏直接影响电池性能。
Goodenough等提出基于层状材料钴酸锂（LiCoO 2）的正极材料，并由索尼公司在1990年实现商品化。
此后人们发展了各种新型层状材料如镍酸锂（LiNiO 2）、锰酸锂（LiMnO 2）、镍钴锰酸锂（Li（Ni,Co,Mn）O 2）、尖晶石型锰酸锂（LiMn 2O 4） 及橄榄石型LiFePO 4。
为了提高电池性能研究人员一方面在现有材料基础上通过掺杂、包覆的方法进行改性，另一方面也在探寻兼具高安全性能、高能量密度、高倍率性能、低成本等综合性能优异的正极材料。
1.三元锂电池简介现在国内主要有比亚迪，众泰，北汽新能源等，而世界上最有名的电动汽车品牌为特斯拉，其主要使用的镍钴锰酸锂三元锂电池，其电池能量密度高，其储能密度通常在200Wh/kg以上。
最常用的三元体系正极结构以LiNi x CoyMn 1-x-y O 2为层状结构，理论比容量达到280mAh/g，被认为是LiCoO 2， LiMnO 2，LiNiO 2三种层状锂离子电池的固溶体。
在此类正极材料中，展现出三元协同效应。
引入Co，能固定晶格结构，有效抑制Li +和Ni 2+的阳离子混排现象，使材料循环性能提升并提高材料的导电性。
但Co浓度应适量，过高则会导致Li容量的降低；引入Ni，作为氧化还原活性物，能有效提高材料的理论容量，提高材料的能量密度；引入Mn，能够有效提高材料的安全性并降低材料的成本。
通常来说，镍钴锰的比例可以为111，523，424，811。
2.合成合成NMC的方法主要有共沉淀法，溶胶凝胶法，固相法和水热法等，共沉淀法合成产品三种金属离子可以按比例均匀沉淀，所合成产品的各组织成分含量与理论相一致，固相法合成设备简单成本低，易实现工业化，凝胶法可制备出颗粒粒径小，焙烧温度低，焙烧时间短的三元正极材料，各有优点，但仍存在各种问题。
(1)共沉淀法工业生产中，共沉淀法通常用于合成镍钴锰氢氧化物前驱体。
氨水作为络合剂将镍钴锰离子络合，形成金属-铵根的络合离子，这种络合离子有助于金属离子的缓慢释放。
NaOH作为沉淀剂，与溶液中的镍、钴、锰三种金属离子反应生成共沉淀并拉动配合物解离平衡，使反应不断进行。
共沉淀法有利于形成球形度良好、粒径均一且振实密度较高的氢氧化物前驱体。
在沉淀过程中，溶液的pH值需要精确控制，pH变化会直接影响镍钴锰三者的沉淀比例。
pH值的波动、过低，都会造成偏析，使得最终产物的组成和预期差别过大。
Noh等采用镍钴锰的可溶解盐溶液按照比例混合后，加入一定量沉淀剂NaOH，使用N 2气氛保护Mn 2+免受氧化，对搅拌速度、pH值和氨水用量对颗粒成分、尺寸和振实密度的影响进行研究。
研究发现，当pH=11，NH 3/MSO 4（M为过渡金属离子镍、钴、锰)计量比为0.8，搅拌速度为1000r/min时，沉淀得到的复合氢氧化物前驱体颗粒均匀性最好，振实密度达到2.2g•cm -3。
经过750℃高温烧结后产物LiNi 0.5Co 0.2Mn 0.3O 2粒径得到保持，振实密度达到2.6g•cm 3。
性能方面，0.1C条件下（1C=200 mA•g -1） 首次放电比容量达到207mAh•g -1，7C倍率下放电比容量保持率为0.1C时的50%。
(2)模板法环境工程2019·0356Chenmical Intermediate当代化工研究技术应用与研究模板法是制备具有特殊形貌纳米材料的重要方法。
以模板为载体可以精确控制产物的形貌和粒径，在合成锂离子电池三元正极材料上也有着广泛的应用。
通常作为模板的可以是无机前驱体或者有机物（碳、蛋白质等），他们可以用来合成具有特殊形貌、比表面积较大的电极材料。
Li等通过水热法制备Mn 0.5Co 0.5CO 3前驱体模板，经过400℃烧结得到中空的Mn 1.5Co 1.5O 4球，再加入锂源和镍源在900℃烧结，制得了粒径为2μm的中空球。
该材料在2.5～4.6V充放电区间中，在0.2C倍率下，其首次放电比容量达到196mAh•g -1（库仑效率87%），100次循环后容量保持率为80%。
其倍率性能也较为优异，5C倍率下放电比容量达到114mAh•g -13.正极材料的改性现在三元锂电池虽然在容量上已经超过了传统的钴酸锂电池，但仍存在电压过低，容量不足且电极材料在250℃-350℃容易发生分解。
通过对正极材料的改性可以明显的提高三元锂电池的性能。
以下通过对碳包覆和离子掺杂两种方法的讨论提出对三元锂电池正极材料的改性。
(1)碳包覆①活性炭碳包覆王坤等利用活性炭的多孔性吸附含Co 2+，Mn 2+，Ni +和Li +的乙酸盐混合溶液，并利用高温反应制备了碳包覆材料NMC@C。
电化学性质方面，NMC@C在0.2C下首次放电比容量为181mAh•g -1，首次充放电效率为90.7%，经过50次充放电循环后，NCM的放电比容量为109mAh/g，容量保持率为66.4%。
而对于碳包覆的NMC@C的放电比容量为155.7mAh/g，相较包覆前有显著提高。
NMC@C在20C下放电比容量达到78mAh/g，在0.2C下充放电循环50周后容量保持率为88.1%。
材料优异的电化学性能归结于材料的纳米尺寸及碳包覆，这不仅有利于Li +的快速迁移和电子的快速传导，而且碳包覆层还能抑制NMC与电解液之间的副反应。
②球磨分散法制备的石墨烯和碳纳米管（CNT）复合导电剂高坡等人利用石墨烯和CNT在正极材料表面包覆。
二者除起到包覆层作用的同时，CNT增加了材料颗粒间的片状链接，构建了稳定良好的导电通道。
含石墨烯的GN和GN+CNT样品电池，可使电子和离子快速地传输，增加了相平衡时间，使Li +嵌脱的程度更大。
SP、CNT和GN+CNT半电池第一百次循环的放电比容量分别为126mAh/g、140mAh/g和144mAh/g。
说明在NCM体系中，GN+CNT与NCM构建的点-线-面的导电网络能形成更好的电子和离子传输通道，降低电池电阻，使NMC发挥更好的性能。
在1%的低添加量下，石墨烯/CNT材料在三元材料表面可以形成点-线-面的良好导电网络结构。
0.1C首次放电比容量可达到164mAh/g，10C的大倍率放电比容量为128mAh/g。
③碳包覆复合物湿法球磨采用高功率机械研磨方法，使材料破碎成微小颗粒并充分混合。
尚伟丽等将镍钴酸锂NMC532与碳包覆的磷酸铁锂按质量比85:15研磨均匀后，利用乙醇作为溶剂进行球磨。
球磨60min后进行真空干燥得到NMC532/LFP复合材料。
进一步，对改材料进行电化学性质表征。
对比单组份和混合组分材料，NMC532，NMC532/LFP的首次充放电比容量分别为175.87mAh/g、181.40mA/g。
首次充放电效率分别为88.64%、90.79%。
NMC532/LFP复合材料在首次充电比容量和首次充放电效率方面表现更加出色。
其原因是碳包覆的LFP材料可以增强材料整体的导电性，降低电化学极化，利于NMC532材料的容量的释放。
在经历50次充放电循环之后，NMC532、NMC532/LFP放电比容量分别为156.81mAh/g、 169.89mAh/g，容量保持率分别为94.11%、97.80%。
由此可知，NMC532/LFP中磷酸铁锂对NMC532作用强包覆效果较好，使NMC532/LFP的电极极化减小，循环性能提升。
材料形貌方面，NMC532、NMC532/LFP在经历充放电后没有出现物质颗粒表面开裂和颗粒之间链接断裂的现象。
NMC532颗粒有部分发生粉化，导致材料内导电通路断裂，而NMC532/LFP未发现此现象，表现出良好的循环性能。
材料稳定性方面，60℃的高温条件下，NMC532颗粒表面出现裂纹，且颗粒之间的链接断裂，而NMC532/LFP颗粒只有轻微粉化，因此说明NMC532/LFP的高温储存、工作性良好。
(2)离子掺杂离子掺杂改性的原理在于锂离子电池的输出功率与材料中的电子电导及离子电导直接相关。
利用不同手段提高电子电导及离子电导是提高材料性能的关键，进行离子掺杂可以达到提高传输效率的目的。