[课件]富锂锰基材料研究进展PPT
锂离子电池富锂锰基三元正极材料的研究
锂离子电池富锂锰基三元正极材料的研究锂离子电池是一种广泛应用于移动电子设备和电动车辆等领域的储能装置，其中正极材料是决定电池性能的关键因素之一。
富锂锰基三元正极材料由于其丰富的资源、低成本和较高的能量密度受到了广泛关注。
本文将讨论锂离子电池富锂锰基三元正极材料的研究进展。
富锂锰基三元正极材料是指以锰为主要组成元素，并添加其他相对不活泼的过渡金属离子，如钴、镍等的材料。
这些材料在电池工作过程中能够提供更高的能量密度和较好的循环稳定性，而且资源相对丰富，因此成为了研究的热门方向。
首先，富锂锰基三元正极材料的结构特点对电池性能有着重要影响。
传统的锂离子电池正极材料LiCoO2存在着较高的售价和较低的稳定性。
相比之下，富锂锰基材料不仅能够提供相对较高的电压，还能够减少金属离子的迁移，从而提高电池的稳定性。
此外，富锂锰基材料具有较大的晶格间隙，可以容纳更多的锂离子，因此能量密度更高。
其次，合理的材料配方和热处理工艺对于富锂锰基正极材料的性能优化至关重要。
一般来说，多种元素的组合可以改变材料的电子结构和晶体结构，从而影响电池性能。
大量的研究表明，适量的钴和镍的引入可以提高锂离子的嵌入和脱嵌速率，增加电池的容量和循环稳定性。
另外，不同的热处理工艺也能够改变材料的结晶度和晶界结构，从而调控电池的性能。
此外，富锂锰基三元正极材料还面临着一些挑战。
首先，富锂锰基材料与电解液之间存在着较强的化学反应，导致材料的结构破坏和电池的容量衰减。
其次，富锂锰基材料的循环稳定性较差，长期充放电循环会导致晶体极化和结构的不稳定。
为了克服这些问题，研究者们采取了多种方法，如表面涂覆、界面调控等，以提高材料的循环性能和稳定性。
综上所述，锂离子电池富锂锰基三元正极材料是一种具有潜力的电池材料。
它具有较高的能量密度、较低的成本和丰富的资源，因此在电动汽车和可再生能源储存等领域具有广阔的应用前景。
然而，富锂锰基材料仍然面临着一些挑战，需要进一步研究和技术改进。
富锂锰基材料项目可行性研究报告
富锂锰基材料项目可行性研究报告一、项目背景和目的富锂锰基材料是一种具有高能量密度、长循环寿命和较低成本的新型锂离子电池材料。
随着电动汽车、储能设备市场的迅猛发展，对高性能、高安全性和低成本的锂离子电池材料的需求逐渐增加。
因此，本项目旨在通过开发富锂锰基材料，满足市场对高质量锂离子电池的需求。
二、市场概况随着环保意识的提高和政府对新能源的支持，电动汽车市场呈现出快速增长的趋势。
根据权威机构统计数据显示，全球电动汽车销量在过去五年内年均增长率超过30%，预计在未来五年内将保持相似增长趋势。
而电动汽车的核心是锂离子电池，因此电动汽车的增长将直接推动锂离子电池市场的发展。
目前，全球锂离子电池市场规模已经超过1000亿美元，并且预计将继续快速增长。
在锂离子电池材料市场中，富锂锰基材料由于其高能量密度、较低成本和较高的稳定性受到了越来越多的关注。
据市场调研数据显示，在富锂锰基材料市场中，中国占据了近60%的市场份额，成为全球最大的富锂锰基材料消费国。
然而，由于富锂锰基材料的制备工艺相对较为困难，缺乏优质的富锂锰基材料供应商，以及碳排放等环境问题的限制，市场供需矛盾逐渐加剧。
三、项目技术可行性分析1.技术优势富锂锰基材料具有高能量密度、较低成本和较高的稳定性等技术优势。
与传统的锂离子电池材料相比，富锂锰基材料具有更高的比能量密度，可以提供更长的续航里程；同时，其可以通过简单的电化学合成方法制备，降低了生产成本；此外，富锂锰基材料在高温、高压甚至短路等极端条件下依旧具有较高的稳定性，提高了电池的安全性。
2.技术难点富锂锰基材料的技术难点主要包括结构设计、材料纯化和电化学性能调控等方面。
在结构设计方面，需要寻找合适的锂离子储存位置，提高电子和离子传导性能；材料纯化方面，需要解决原料中的杂质问题，确保材料的纯度；电化学性能调控方面，需要通过合适的添加剂和工艺参数来调控材料的电化学性能。
四、项目经济可行性分析1.产能规模和市场需求本项目计划初期投资5000万元，建设年产500吨富锂锰基材料生产线，预计可满足当地及周边地区锂离子电池生产厂商的需求。
层状富锂锰基正极材料Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2的改性及其性能研究
层状富锂锰基正极材料Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2的改性及其性能研究层状富锂锰基正极材料Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2的改性及其性能研究摘要：层状富锂锰材料由于其高能量密度和良好的循环稳定性而成为锂离子电池中重要的正极材料之一。
本研究通过改变正极材料中的锂和过渡金属含量来探究其对材料性能的影响，同时通过改性方法提高其电化学性能。
实验部分：1. 原料准备：按照成分比例制备Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2粉体。
2. 材料合成：将合适比例的锂、锰、镍和钴盐溶液依次添加到反应容器中，并进行搅拌和混合，然后在高温下进行固相反应，最后煅烧得到Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2粉体。
3. 改性处理：通过表面涂覆或掺杂其他元素以改善材料的电化学性能。
结果与讨论：1. 材料结构：利用X射线衍射仪（XRD）对样品进行分析，确认其属于层状结构。
2. 微观形貌：通过扫描电子显微镜（SEM）观察发现材料表面光滑且颗粒均匀。
3. 电化学性能：进行循环伏安和恒定电流充放电测试。
结果显示，改性后的材料在高倍率下表现出更好的倍率性能和循环稳定性。
结论：通过本研究，成功地合成了Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2正极材料，并通过改性方法提高其电化学性能。
改性后的材料表现出更好的倍率性能和循环稳定性，具有潜在的应用前景。
展望：尽管本研究在改性层状富锂锰基正极材料方面取得了一些进展，但仍有许多问题需要进一步探索和解决。
未来的研究可以考虑引入新的改性方法，进一步提高正极材料的电化学性能。
同时，还可以探究不同粒子形貌对正极性能的影响，以更好地满足对锂离子电池的高性能需求。
关键词：层状富锂锰材料，改性，正极材料，电化学性能，倍率性能，循环稳定综上所述，本研究成功合成了Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2正极材料，并通过改性方法改善了其电化学性能。
富锂锰基正极材料的制备和性能研究
富锂锰基正极材料的制备和性能研究富锂锰基正极材料是当今锂离子电池中常用的正极材料，具有高能量密度、长寿命、环保等优点，广泛应用于电动汽车、智能手机等领域。
本文将介绍富锂锰基正极材料的制备和性能研究，包括制备方法、结构特点和电化学性能等方面。
一、制备方法富锂锰基正极材料通常采用固态反应法、水热法、共沉淀法等多种制备方法。
其中，固态反应法和水热法常用于合成高晶度的锰氧化物材料，共沉淀法则更适合制备纳米级别的富锂锰基正极材料。
固态反应法固态反应法是一种传统的高温合成方法，其制备过程通常涉及纯化原料、混合、烧结等步骤。
首先将锰、镁等金属硬质粉末混合均匀，加入适量的碳酸锂制成粉末状物质；随后，在惰性气氛下加热到一定温度，使其发生反应，在高温条件下形成碱金属掺杂的富锰氧化物。
最后，将所得产物冷却、研磨、筛选等步骤后，即可获得富锂锰基正极材料。
水热法水热法是一种水相合成方法，其优点在于可以在常温下制备高晶度、纳米级别的富锂锰基正极材料。
制备过程中，将锰盐、镁盐等金属盐与碳酸锂在水溶液中混合，并在高温高压的条件下进行水热反应，即可得到富锂锰基正极材料。
这种方法所得到的材料颗粒均匀度高、分散性好，表面性能也较良好，与传统的固态反应法相比，其制备时间更短、能耗更低。
共沉淀法共沉淀法是一种化学合成方法，通过溶液处理合成高纯度、纳米级别的富锂锰基正极材料。
该方法将锰盐和碳酸锂在水溶液中混合后，通过添加氢氧化钠、氨水等结合剂使其发生沉淀反应，生成富锂锰基正极材料。
此方法所得到的富锂锰基正极材料比前两种方法更均匀、更细腻且纯度更高。
二、结构特点富锂锰基正极材料的晶体结构一般为锰氧化物类结构，在锂离子选择性嵌入和脱出时发生锰离子的多价态转变，如Mn2+转变为Mn3+和Mn4+，导致晶体结构发生变化，从而实现锂离子的存储和释放。
富锂锰基正极材料的晶体结构通常分为以下三类：1、锂富集型MnO2锂富集型MnO2（Li-rich MnO2）结构类似层状矿物β-MnO2，其晶格常数和晶格参数均大于β-MnO2，具有三维隧道结构。
及其在富锂锰基正极材料中的应用研究
及其在富锂锰基正极材料中的应用研究富锂锰基正极材料是一种重要的电池正极材料，广泛应用于锂离子电池中。
锂离子电池作为目前最常用的可充电电池，被广泛应用于手机、笔记本电脑、电动车等领域。
富锂锰基正极材料具有良好的电化学性能和较高的放电容量，因此备受关注并在研究领域得到广泛应用。
富锂锰基正极材料的研究主要集中在以下几个方面：1.结构优化：通过改变材料的结构和组分，优化正极材料的电化学性能。
例如，通过合成不同形貌的纳米材料，如纳米管、纳米棒等，可以提高正极材料的离子扩散速度和电子传导性能，从而提高电池的循环寿命和倍率性能。
2.掺杂改性：通过向正极材料中引入其他元素，如Co、Ni等元素，以改善材料的结构稳定性和电化学性能。
掺杂Co可以提高材料的放电容量和循环寿命，而掺杂Ni可以提高材料的倍率性能和稳定性。
3.表面涂层：通过在富锂锰基正极材料的表面涂覆一层稳定的氧化物膜，如Li2O、Li3PO4等，可以提高材料的稳定性和循环寿命。
这种表面涂层可以阻止锰离子的溶出和正极材料的结构改变，从而提高电池的安全性和稳定性。
4.微观机理研究：通过实验和理论计算等手段，研究富锂锰基正极材料的电化学反应机理和结构变化规律，为材料的设计和优化提供理论指导。
这些研究可以从原子层面上了解材料的电化学行为，探索材料性能的起源和改善途径。
总之，富锂锰基正极材料在锂离子电池领域有着广泛的应用研究。
通过结构优化、掺杂改性、表面涂层和微观机理研究等手段，可以改善材料的电化学性能，提高电池的循环寿命、倍率性能和安全性。
未来，随着对新能源的需求不断增加，富锂锰基正极材料的研究将继续深入，为电池技术的发展做出更大的贡献。
富锂锰基
10
研究进展-包覆
包覆在富锂锰基固溶体材料表面的过渡金属化合物本身是电化学惰性物质, 能够 有效减少活性物质与电解液的反应, 抑制首次充电结束时氧空位的消失. 同时, 部 分过渡金属离子在退火处理过程中还会进入母体材料的晶格， 起到稳定结构的 作用, 从而可以提高循环过程中材料的稳定性。 Myung等通过不同氧化物Al2O3、Nb2O5、Ta2O5、ZrO2 和ZnO 对 Li[Li0.05Ni0.4Co0.15Mn0.4]O2进行表面包覆, 研究结果表明: Al2O3对正极材料包覆 的性能最好, 在3.3~4.3V、30mA/g充放电条件下, 放电容量达到175 mAh/g。并且 通过ToF-SIMS研究说明通过对材料表面的包覆可以有效地抑制电化学过程中产 生的HF 对材料的腐蚀. 为了降低首次充放电过程中的不可逆容量,研究人员用 Al2O3、Al(OH)3、AlPO4和TiO2、V2O5、LiNiPO4等化合物。2009年， Thackeray 课题组采用Li-Ni-PO4, 对0.5Li2MnO3· 0.5LiNi0.44Co0.25Mn0.31O2进行 表面包覆, 获得的材料在1 C 的放电容量可达到200 mAh/g, 相比未包覆材料(约 170 mAh/g)有大幅提高. Wang 等人通过2%AlPO4+3%Al2O3, 对 Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2 进行了双层包覆, 获得的材料在低倍率下的容量高达 295 mAh/g, 首次不可逆容量只有26 mAh/g, 在2 C 时的容量可达到215 mAh/g. 2011年, Zhao 等人研究发现, 在Li[Li0.2Ni0.2Mn0.6]O2 的表面包覆4% MnO层所获 得的材料, 在1 C 和2 C 倍率下, 循环50 次后仍有211 和210mAh/g 的容量.
锂离子纽扣电池正极材料富锂锰基
锂离子纽扣电池正极材料富锂锰基
锂离子纽扣电池的正极材料是富锂锰基材料。
这种材料具有以下特点：
外观：
富锂锰基材料多为不规则颗粒状或者类薄片状，颜色为黑色或者深灰色。
电化学性能：
1.高比能量：
富锂锰基材料具有高比能量，可以让电池储存更多的电能，在使用过
程中可以提供更长的续航时间。
2.高循环寿命：
富锂锰基材料具有高循环寿命，可以让电池进行更多次的充放电循环，在使用寿命上具有更长的优势。
3.快速充电：
富锂锰基材料充电速度很快，可以在更短的时间内完成充电操作，提
高了电池的使用效率。
4.低自放电率：
富锂锰基材料的自放电率很低，可长时间储存，不易失去电荷。
应用场景：
富锂锰基材料广泛用于小型充电器、无线电、电子玩具等锂离子电池应用领域。
同时，也常用于医疗设备、航空航天等高端领域。
总之，富锂锰基材料作为锂离子电池的正极材料，在电化学性能、循环寿命、充电速度等方面都有着优异的表现，成为了锂离子电池应用领域中比较重要的材料之一。
锂离子电池高容量富锂锰基正极材料研究进展
摘 要 ：富锂锰基 正极 材料 因具有 高的放 电比容量 ，有 望成为下一代 ４００Ｗ－ｈ／ｋｇ动力 电池最有前景 的正极材料 。
本文简要 介绍 了本研 究 团队在 富锂锰基 正极 材料方 面的研 究进展 。通过 团队多年研发 ，材料的首次 不可逆容 量、
倍 率性 能、循 环稳定性得 到明显 的改善 ，而且 ，电压 衰减被有效 的抑 制 同时，研 制 出基 于富锂锰基 正极材料
Ａ ｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｉＳ ａ ｇｏａｌ ｆｏｒ ａｌｌ—ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍ ｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｎｓｉｔｙ ｆｏ ｒ Ｌｉ—ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ ｍｕｓｔ ｂｅ ｏｖｅｒ ４００ Ｗ ·ｈ／ｋｇ ｉｎ ｄｅｍａｎｄ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｒｅｖｉｅｗ，ｔｈｅ ｒｅｃｅｎｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓ ｏｆ Ｌｉ—ｒ ｉｃｈ ｌａｙｅｒｅｄ ｏｘｉｄｅ ｃａｔｈｏｄｅ ｍ ａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ ｏｕｒ ｇｒｏｕｐ ａｒｅ ｂｒｉｅｆｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｆｔｅｒ ｍ ａｎｙ ｙｅａｒｓ’ｒｅｓｅａｒｃｈ．ｔｈｅｉｒ ｉｎｉｔｉａｌ ｃｏｕｌｏｍｂｉｃ ｅｆ ｉ ｃｉｅｎｃｙ， ｔｈｅ ｒａｔｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｃｙｃｌｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｗｅｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｉｇｎｉｆ ｉｃａｎｔｌｙ． Ｍ ｏｒｅｏｖｅｒ， ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｅｃａｙ ｗａｓ ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ￣ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅｓｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｗｅ ａｌｓｏ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ ａ ２４ Ａ·ｈ—ｃｌａｓｓ ｃｅｌｌ ｕｓｉｎｇ ａ Ｌｉ—ｒｉｃｈ ｌａｙｅｒｅｄ ｃａｔｈｏｄｅ ａｎｄ ａ Ｎａｎｏ Ｓｉ／Ｃ ａｎｏｄｅ．Ｔｈｅ ｃｅｌｌ ｉｓ ｃｏｎｆ ｉｒｍ ｅｄ ｔｏ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｍａｓｓ ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｎｃ ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ５７７ Ｗ ·ｌｌ／Ｌ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｌｉ—ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒ ｉｅｓ；Ｌｉ—ｒｉｃｈ ｌａｙｅｒｅｄ ｃａｔｈｏｄｅ；ｖｏｌｔａｇｅ ｄｅｃａｙ；ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｎｓｉｔｙ：ＥＶ
富锂锰基正极材料
改性
表面 包覆
掺杂
改性
纳米 化
其他
• 改性研究
表面包覆 包覆在富锂锰基固溶体材料表面的过渡金属化合物本身是电化学惰性 物质, 能够有效减少活性物质与电解液的反应, 抑制首次充电结束时 氧空位的消失. 同时, 部分过渡金属离子在退火处理过程中还会进入 母体材料的晶格，起到稳定结构的作用, 从而可以提高循环过程中材 料的稳定性。
要求对原料有很好的混合，并在煅烧过程中要保证几种过渡 金属离子有充分的扩散。目前文献报道的固相法制备该材料的文 献较少，很可能与该工艺制备的材料性能不够理想有关。
存在问题
• 富锂正极材料xLi2MnO3·(1−x)LiMO2在充放电过程中 表现出较好的循环稳定性和较高的充放电容量,但其实 际应用仍存在几个问题：首次循环不可逆容量高达 40~100Ah/g; 倍率性能差, 1C容量在200mAh/g以下; 高 充电电压引起电解液分解, 使得循环性能不够理想。
纳米化
• 富锂材料的粒径较大,Li+在脱嵌过程中的扩散路径较长, 倍率性能较差;当富 锂材料颗粒达到纳米级时, 活性材料与电解液充分接触, 并且较小的颗粒大 大缩短了Li+的扩散路径, 因此电极材料颗粒的纳米化极大地提高了材料的 倍率性能.电极材料颗粒的纳米化主要是通过水热法、聚合体高温分解法和 离子交换法等合成。
合成方法
0.3Li2MnO3•0 .7LiMn0.5Ni0.5
O2
0.3Li2MnO 3.0.7LiNi0.5
Mn0.5O2
动力电池负极材料和电解液体系介绍ppt课件
1）电导率高。要求电解液黏度低，锂盐溶解度和电离度高，Li+ 导电迁移数高；
2）稳定性好。物理稳定性好，要求电解液具备高的闪点、高的 分解温度、低的电极反应活性，搁置无副反应、时间长等；化学 稳定性好，界面稳定，具备较好的正负极材料表面成膜特性，能 在前几周充放电过程中形成稳定的阻抗固体电解质中间相 （solid electrolyte interphase,SEI膜）；
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第五章、总结
富锂锰基动力电池电解液匹配技术研究结论
锂盐是六氟磷酸锂，溶剂是碳酸酯，5种关键添加剂已确定。
电解液匹配技术构建完成
富锂锰基动力电池电解液匹配技术最新研发方向
1、拓宽工作温度范围。分类提出不同温度性质的解决方案，如：高温需 要采用氟代酯醚、新锂盐、离子液体（熔融盐）来提高。低温电解质体 系需要采用熔点较低的腈、醚类体系，固体电解质具有较好的高温工作 性能，但低温性能可能较差，因此高温工作条件下可以采用固体电解质 。
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第一章、锂离子可逆充放电电池简介
1、锂离子可逆充放电电池组成 2、锂离子可逆充放电电池工作原理
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2、锂离子二次电池的工作原理
富锂锰基锂离子电池的工作原理
u 充电时，锂离子 和电子从正极移 动到负极，电能 转化为化学能。
u 放电时相反：锂 离子和电子从负 极移动到正极， 将化学能转化为 电能。
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层状 + 层状 = 层状
2、 与磷酸铁锂相比富锂锰基动力电池的优势
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第三章、富锂锰基动力电池电解液匹配技术 的研究进展和应用现状
1、 富锂锰基动力电池电解液的组成及重要性能
2、电解质常见缺陷和失效机制
富锂锰基固溶体材料研究进展
富锂锰基固溶体材料研究进展许国峰;王念贵;樊勇利【摘要】锰基固溶体材料是Li2MnO3和LiMO2复合结构的新型锂离子电池正极材料,具有比容量高、热稳定性好、电压高、能量密度大及对环境友好等优点,被视为下一代锂离子电池正极材料的理想之选.同时该材料存在首次效率低、倍率性能差、低温性能差等缺点,有许多新的合成方法和技术值得进一步探索,使其满足实用化要求.从结构、合成及改性等三方面综述了xLi2MnO3·(1-x)LiMO2的研究进展.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2015(039)003【总页数】4页(P620-623)【关键词】正极材料;层状固溶体;结构;合成方法;改性【作者】许国峰;王念贵;樊勇利【作者单位】中国电子科技集团公司第十八研究所,天津300384;中国电子科技集团公司第十八研究所,天津300384;中国电子科技集团公司第十八研究所,天津300384【正文语种】中文【中图分类】TM912在混合动力汽车和纯电动汽车中，动力电池是电动汽车的核心部件。
动力电池主要包括铅酸电池、氢镍电池和锂离子电池。
与铅酸电池和氢镍电池相比，锂离子电池有着比容量高、能量密度大、循环次数多、无环境污染等优点，将成为未来电动汽车使用的主要动力电池。
智能手机、电动汽车以及电网储能对锂离子电池的比容量、能量密度和循环性能的要求越来越高。
目前市场化的正极材料钴酸锂、锰酸锂、尖晶石结构锰酸锂、橄榄石结构磷酸铁锂以及镍钴酸锂等，均不能满足产品对高容量和低成本的要求。
具有比容量高、热稳定性好、循环性能良好、充放电压范围宽且价格低廉、对环境友好等优点的富锂锰基电池材料吸引了国内外专家学者的深入研究。
Li2MnO3·(1−)LiMO2因材料中含有大量的Mn元素，而Co元素相对较少，所以材料的价格较低，安全性相对较高，被视为下一代锂离子电池正极材料的理想之选。
鉴于Li2MnO3与层状LiMO2晶体结构具有较好的兼容性，研究者一直致力于合成能够在结构上“匹配”的“层状-层状”Li2MnO3·(1−)LiMO2。
富锂锰基正极材料结构稳定性及改性研究
一、研究意义、国内外研究现状综述及创新之处1.研究意义随着能源危机的日益迫近和人们对于环境保护呼声的不断高涨，各国政府竞相投入大量资金研发具有高能量密度和安全环保的二次电池。
在所有二次电池中，锂离子电池具有比能量高、安全环保、无记忆效应等突出优点，目前被广泛的用作新能源汽车电源。
但是，目前使用锂离子动力电池作驱动电源的纯电动汽车续驶里程一般不超过200英里，而使用内燃机作驱动的汽车续驶里程在500英里以上，不断增加电池的能量密度仍然是锂离子电池在今后一段时间需要持续努力的目标。
锂离子电池的能量密度取决于正极材料的能量密度。
有报道指出，结构形如Li2MnO3• LiMO2 ( M=Ni, Co, Mn …)的富锂锰基材料在经过首次充电活化后，最高放电比容量可达300mAh/g以上，同时，富锂锰基正极材料还具有安全可靠、价格低廉等优点。
因此，富锂锰基材料是一种具有广阔应用前景的锂离子电池正极材料。
但是，富锂锰基材料目前仍然在循环稳定性、倍率性能、首次效率以及压实密度等方面存在问题；尤其是材料的循环稳定性，在经过大约50个循环后，材料的放电比容量就衰减到初始值的约80%左右，而材料的平均放电电压随充放电过程的进行也会逐渐衰减；这些原因导致富锂锰基材料很难立即应用到工业化生产中。
本项目针对富锂锰基材料在循环稳定性方面存在的问题，采用层层递进的方法分析富锂锰基材料循环稳定性差的内在原因，同时考虑用材料结构调控和表面包覆的方法对材料循环稳定性进行改性，预期将会显著提高富锂锰基材料的循环寿命，从而加快此类材料在锂离子电池中的应用速度。
2.国内外研究现状综述富锂锰基材料的循环稳定性差可能主要与材料首次充电后在材料中形成的大量晶格缺陷有关。
首次充电过程中，随充电电压的升高，富锂锰基材料依次会发生两步半反应：x Li2MnO3·(1-x)LiMO2→x Li2MnO3·(1-x) MO2 + (1-x)Li(1)x Li2MnO3·(1-x) MO2→ x MnO2·(1-x) MO2 + xLi2O （2）反应式（1）在充电电压小于4.5V时发生，伴随的是富锂锰材料层间锂的脱除和过渡金属离子价态的变化；反应式（2）在充电电压高于4.5V时发生，此时材料中过渡金属层中部分锂离子和氧一起脱除，形成Li2O。
富锂锰基材料结构不稳定金属离子溶出
富锂锰基材料是一类在锂离子电池中广泛应用的正极材料，具有高能量密度和优异的循环性能。
然而，近年来研究发现，富锂锰基材料存在着结构不稳定和金属离子溶出等问题，严重影响了其在电池中的性能和安全性。
1. 富锂锰基材料的结构不稳定富锂锰基材料中的金属离子在充放电循环过程中会发生氧化还原反应，导致材料晶格发生变化，从而导致结构不稳定。
这种不稳定性使材料在长期循环过程中容易发生微裂纹、颗粒剥离等现象，严重影响了材料的循环性能和安全性。
2. 金属离子溶出现象富锂锰基材料中的锂离子在充放电循环过程中会与金属离子发生交换，导致金属离子溶出到电解液中。
大量金属离子的溶出会直接影响电池的电化学性能和安全性，甚至对人体和环境造成潜在的危害。
金属离子溶出成为了当前研究和生产中亟待解决的问题。
3. 解决方法针对富锂锰基材料结构不稳定和金属离子溶出的问题，科研人员提出了一系列解决方法：混合掺杂：通过混合掺杂其它元素，如钴、镍等，改善材料的晶体结构，降低结构不稳定性，减少金属离子的溶出。
表面涂层：在富锂锰基材料表面进行涂层处理，形成保护膜，减少金属离子的溶出。
晶体改性：通过晶体工程学方法，改变材料的晶体结构，提高其循环稳定性和耐蚀性。
结构优化：利用计算模拟等方法，优化富锂锰基材料的结构，提高其稳定性和安全性。
4. 发展前景尽管富锂锰基材料存在着结构不稳定和金属离子溶出等问题，但随着科研技术的不断进步，相关领域的研究人员已经在解决这些问题上取得了一定的成果。
未来，随着新材料、新工艺以及新技术的不断涌现，相信富锂锰基材料的性能和安全性将会得到进一步的提升，为锂离子电池的发展注入新的活力。
总结：富锂锰基材料结构不稳定和金属离子溶出是目前锂离子电池领域的研究热点和挑战。
通过对材料结构和制备工艺的优化，相信这些问题将会得到有效解决，为锂离子电池的性能和安全性提供更为可靠的保障。
针对富锂锰基材料结构不稳定和金属离子溶出的问题，近年来科学家们开展了大量的研究工作，并取得了一定的成果。
富锂锰基正极材料的改性与电化学性能研究
富锂锰基正极材料的改性与电化学性能研究富锂锰基正极材料的改性与电化学性能研究引言：锂离子电池作为当今最常见的可充电电池之一，被广泛应用于移动电子设备、电动汽车和储能等领域。
正极材料作为锂离子电池中的关键部分，其性能对整个电池系统的性能具有重要影响。
富锂锰基正极材料因其高比容量和低成本而备受关注，然而其容量衰减和循环寿命问题仍然制约着其大规模商业应用。
因此，对富锂锰基正极材料进行改性，以提高其电化学性能，成为当前研究的热点之一。
一、改性方法：1. 材料掺杂：通过向富锂锰基材料中引入掺杂元素，如过渡金属、稀土元素等，可改变其结构和电化学性能。
例如，掺杂Co、Ni等过渡金属可以提高富锂锰基正极材料的电导率和稳定性。
2. 表面涂层：通过在富锂锰基材料表面形成一层保护膜，可以减缓其与电解液中锂离子的反应速度，降低容量衰减和循环寿命。
常用的涂层材料有石墨烯、碳纳米管等。
3. 结构调控：通过合理设计和调控富锂锰基正极材料的结构，可以增加其锂离子的扩散速率，提高其容量和循环寿命。
常见的结构调控方法包括碳包覆、孔洞控制和纳米化等。
二、电化学性能研究：1. 容量和循环性能：富锂锰基正极材料的容量决定其能储存和释放的锂离子数量，而循环性能则反映其长周期使用的稳定性。
改性可以通过提高材料的导电性、增加电化学反应的速率以及减少与电解液的不良反应来改善容量和循环性能。
2. 能量密度和功率密度：能量密度和功率密度是衡量电池性能的重要指标之一，其决定了电池在不同应用场景下的表现。
富锂锰基正极材料的改性可以增加其能量密度，提高电池整体性能。
3. 安全性能：电池的安全性能是其商业化应用的重要考虑因素。
富锂锰基正极材料衰减时可能会释放出氧气，增加电池的燃烧和爆炸风险。
改性可以减少这种氧气的释放，改善电池的安全性能。
三、研究进展：近年来，通过不同的改性方法和研究手段，富锂锰基正极材料的电化学性能得到了大幅改善。
研究表明，添加过渡金属等掺杂元素可以提高富锂锰基材料的稳定性和容量。
锂离子电池正极材料富锂锰基固溶体的研究进展
富 锂 锰 基 固 溶 体 正 极 材 料 可 用 通 式 xLi[Li1/3Mn2/3]O2·(1–x)LiMO2 来表达, 其中 M 为过渡金属,
0≤x≤1, 结构类似于 LiCoO2, 具有很高的放电比容 量, 是目前所用正极材料实际容量的 2 倍左右; 由于 材料中使用了大量的 Mn 元素, 与 LiCoO2 和三元材 料 Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2 相比, 不仅价格低, 而且安全 性 好 、 对 环 境 友 好 . 因 此 , xLi[Li1/3Mn2/3]O2·(1–x)LiMO2 材料被众多学者视为下一代锂离子电池正极 材料的理想之选.
另一方面, 有关研究的结果表明, Li2MnO3 可与 LiMnO2, LiCrO2 等层状材料形成稳定的富锂锰基固 溶体, 从而改善这类活性层状材料在循环过程中的
英文引用格式: Du K, Hu G R. Review of manganese-based solid solution xLi[Li1/3Mn2/3]O2·(1–x)LiMO2 (in Chinese). Chin Sci Bull (Chin Ver), 2012, 57:
动力电池系列4——材料体系演进之富锂锰基
动力电池系列4——材料体系演进之富锂锰基
结构上看，富锂锰基材料含有层状 Li2MnO3 和 LiMnO2 两种组分，作为电池的正极材料，富锂锰基最大的优点就是拥有高容量，比容量可达300mAh/g，是目前商业化应用磷酸铁锂和三元材料等正极材料放电比容量的一倍左右，是下一代高能量密度正极材料的理想方案。
富锂锰基材料的两种结构：
然而富锂锰基材料具有首次容量不可逆损失、电压衰减与低倍率性能等缺点，距产业化仍有一定距离。
为提升富锂锰基材料的性能，目前常见的改性方法为：体相掺杂、表面包覆以及共混改性。
动力电池系列的第四部分的内容就分享到这里，明天和大家分享第五部分的内容：材料体系演进之钠离子电池。
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目录
• 1、研究意义 • 2、材料的结构 • 3、充放电机理 • 4、合成方法 • 5、改性 • 6、课题开展思路
1、研究意义
高比容量
高比容量 高功率锂
高功率正
极材料
离子电池
能源战略 环境危机 电动汽车 智能电网
充电电压： 2.0-4.8v 首次充电比容量： >300mAh/g 首次放电比容量： >200mAh/g
2
合成方法 充电电压 （V） 电流密度 （mA/g） 首次充电比 容量(mAh/g) 首次放电比 容量(mAh/g)
: 0.5Li 2 MnO 3 .0.5LiMO 2
Ch arg e OCV 4.4V
LiMO2 “active”
0.5Li 2 MnO 3 .0.5MO 2 0.5Li 0.5e
Ni 2 Ni 4 , Co 3 Co 4 , Mn 4 Mn 4
Ch arg e
M.M. Thackeray,et al. J. Mater. Chem., 2007, 17: 3112.
单斜 固溶体 结构
两相
六方
单斜相（C2/m）固溶体？？？
Li[Li0.2Ni0.2Mn0.6]O2的XRD图
像差校正后的STEM照片
J.P. Ferreira, al. Chem. Mater.2011, 23, 3614.
高温下高容量基理更加复杂
55℃
85℃
理论放电发生Mn4+/Mn5+,Mn5+/Mn6+氧化还原，或阴离子发生O2−/O22−氧化还原？
Ohzuku, T.et al.J. Mater. Chem.2011, 21, 10179.
4、合成方法
0.3Li2MnO3 •0.7LiMn0.5 Ni0.5O2 0.3Li2Mn O3.0.7Li Ni0.5Mn0. 5 O2 溶胶凝胶 法 4.8– 2.5 5 357 239 0.5Li2Mn O3.0.5LiNi 0.5Co0.2Mn 0.3O2 固相法 4.8– 2.0 10 340.7 197.6 Li1.2Mn0.54 Ni0.13Co0.13 O2 Li1.2Ni0.2M n0.6O2 Li1.2Ni0.2M n0.6O
六方R-3m固溶体？？？？
Koga, H.et al.J. Phys. Chem. C 2012, 116, 13497.
superlattice
Vegard’ s law
Ohzuku, T. et al. J. Mater. Chem.2011, 21, 10179.
两相结构？？？
0.5Li2MnO3· 0.5LiMn0.42Ni0.42Co0.16O2的SXRD图谱和计算图谱
M. M. Thackeray,et al. J. Mater. Chem., 2007, 17: 3112.
结构高度相似性
结构复杂性
Li2MnO3和LiMO2(M=Mn,Ni ,Co)的XRD对比图
TEM image of a 0.3Li2MnO3.0.7LiMn0.5Ni0.5O2 electrode
Haoshen Zhou,et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012,14 ,6548.
两相结构？？？
Hetero-interfaces
Li2MnO3-like
Stacking faults
Haoshen Zhou,et al. Angew. Chem. Int. Ed.2013, 52, 5969.
电化学缺陷
2、结构
Li2MnO3 LiTMO2
(TM=Ni,Co,Mn)
结构 空间群 晶系 a-NaFeO2型 C2/m 单斜 层状结构 a-NaFeO2型 R-3m 六方 层状结构
3a Li+ Li+
3b 6c 1/3Li++ O22/3Mn4+ TMn+ O2-
层状Li2MnO3和LiMO2(M=Mn,Ni ,Co)的结构示意图
理论放电容量 5mA/g首次 20mA/g首次 充放电流密度 充放电流密度 0.5LiMnO2· 0.5LiMn0.42 269 mAh/g Ni0.42Co0.16O2 272 mAh/g 224 mAh/g 50mA/g首次 充放电流密度 184 mAh/g
额外容量产生的原因：
1、部分Mn3+/Mn4+参加 氧化还原反应
: 0.5 Li2 MnO3 .0.5MO2
2 3
4.4V 4.8V
2
(0.5 ) Li2 MnO3 .MnO2 .0.5MO2 2Li O2 2e
2 (0.5 ) Li (0.5 )e Disch arg e 4.8V 2.0V
: (0.5 ) Li MnO .MnO .0.5MO
(0.5 ) Li2 MnO3 .LiMnO2 .0.5 LiMO2
H. S. Zhou, et al, Phys. Chem. Chem. Phys. 2012,14, 6548.
首次放电容量大于理论放电容量，why?
富锂材料结构依条件而变化？
合成条 件 组成成 分比
合成方 法
结构的复杂性
3、充放电机理
First cycle
MO2 (M=Ni,Co,Mn)
3
-Li2O >4.4 v +Li+ -Li+ -Li+ <4.4 v
LiMnO2
2
4
The
2nd
to the
51st cycle
1 Li2MnO3 X=0.5 “Inactive” xLi2MnO3.(1-x)LiMO2
Potential next generation cathode of specific capacity with 300 wh/g
Haijun Yu, Haoshen Zhou. J. Phys. Chem. Lett.2013, 4, 1268.
层状富锂锰基材料有待解决的问题
结构
充放电机理
2、氧分子在电极表面发 生类似锂空电池的氧化还 原反应（O2→ O2 -）
H. S. Zhou, et al, Phys. Chem. Chem. Phys. 2012,14, 6548. Shinichi Komaba, et al. J.Am.Chem. Soc., 2011, 133 , 4404.