[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
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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.