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锌掺杂对LiNiLiNi0.6Co0.2Mn0.2O2正极材料结构和电化学性能的影响

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广30 东化工 2018年第10期 www.gdchem.com 第45卷总第372期 锌掺杂对LiNi0.6C oo.2Mn0.2O2 正极材料结构和电化学 性能的影响 姚升超,向伟,吴振国,朱春晓,郭孝东,钟本和 (四川i大学化学工程学院,四川成都610065) [摘要j采用草酸盐共沉淀法制器出锌掺杂的锂离子电池正极材料,结台X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、EDS能谱(EDS mapping)、 恒电流充放电和电化学阻抗(EIs)测试,研究Zn2 掺杂对材料晶体结构、形貌及电化学性能的影响。实验结果袭明,Zn2 掺杂可抑制高镍材料中 的离子混排,形成多孔结构,缩短Li 的扩散路径,从而改善材料的倍率和循环性能 在2.7 ̄4_3 v电压范围内,1O C倍率下 Li(Nio 6Co0.2Mno 2)0”zn。0102表现出87.8 mAh-g 的放电比容量,比LiNio 6Co0 2Mno:02提高了37.O%,1 C倍率下循环100圈后, Li(Nio 6Coo 2Mno 2)0 o ̄Znoo102的容量保持率为84.7%,比未掺杂的材料提高了12%。EIS测试结果则进一步验i_Ei锌掺杂有效降低了材料的电荷传 质阻抗 [关键词]正极村料;LiNi0 ̄,Co0 2Mno 202:锌掺 ;晶体结构:电化学性能 [中豳分类号]TQ [文献标识码]A [文章编号】1007 1865(20I8)1O 0030.03 Effect of Zinc Doping on Structure and Electrochemical Performance of LiNi0.6Coo.2Mn0.202 Cathode Material Yao Shengchao,Xiang Wei,Wu Zhenguo,Zhu Chunxiao,Guo Xiaodong,Zhong Benhe (College ofChemical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China) Abstract:By the oxalate co—precipitation method,a zinc.doped cathode material for 1ithium.ion baRery was prepared.X.ray diffraction(XRD),scanning electron microscopy(SEM) EDS mapping,galvanostatic charge—discharge and electrochemical impedance spectroscopy(EIS)tests were performed to investigate the efflect of Zn doping on the structure.morphology.and electrochemical performance of the materia1.The results show that Zn! doping can inhibit the cation mixing,fornl a porous structure,shorten the diffusion path ofLi and improve the rate and cycling performance ofthe materia1.In the voltage range Of2.7~4.3 V.Li (Nio 6Coo 2Mno 2)0 9 ̄Zno 0102 shows a discharge speciic fcapacity 0f87.8 mAh g at l0 C,which is 37.0%higher than that ofLiNio 6Co0 2Mno 202 After 1O0 cycles at 1 C,the capacity retention ofLi(Ni0 6Co0 2Mno 2)0 90Zn0 0102is 84.7%.whichis 12%higherthanthat ofthe undopedmateria1.EIStest resultsfurther veri that zinc doping effectively reduces the charge transfer resistance ofthe materia1. Keywords:cathode material:LiNio 6Coo 2Mno:O2:zinc doping;crystal structure:electrochemical performance 在绿色经济全球化发展的时代,锂离子二次电池作为一种极 具前景的清洁储能技术进入人们的视野,历经几十年的发展,被 广泛应用于电子产品和电动汽车市场,取得了巨大成功。层状高 镍材料LiNio 6Co0 2Mn0.2O2因其能量密度高、成本低等优势被认为 是下一代锂离子电池的理想配套材料[-l,是科研单位和企业的研 究重点。然而,在实际应用中,高镍材料LiNio 6Co0 2Mn0 2O2仍存 在结构稳定性差、电化学性能不理想等问题亟待解决_2l。 目前,高镍材料LiNio6Co0 2Mn0 2O2的改性策略主要包括表面 包覆、离子掺杂和纳米结构构建。离子掺杂可以有效改善材料的 结构稳定性,离子/电子电导率等,从而提升材料的循环及倍率性 能。Fu等人[ I通过碳酸盐共沉淀法在LiNi0 6Co0 2Mn0 2O2前驱体合 成过程t{_】引入Mg掺杂,有效改善了材料的循环性能,5 C倍率下 循环30圈容量保持率由63_3%提升为89.0%。Haruki Kaneda等 人f 1通过固相法合成了Nb掺杂的LiNi0 6Co0 2Mno 2O2正极材料, 在6O℃温度下2 C循环500圈后容量保持率由7O.7%提升为 91.4%,循环性能得到大幅提升。Florian Schipper等人【 】以过渡金 属硝酸盐和蔗糖为原料,通过自燃烧法合成了Zr掺杂的 LiNi0 6Co0 2Mn0 2O2正极材料,抑制了极化现象,在l ̄4 C倍率下 显示出更高的放电比容量。以上结果表明,离子掺杂可有效改善 高镍材料的电化学性能 Zn 半径与镍、钻、锰金属离子相近,价态稳定,且对应的 草酸盐沉淀溶度积接近,可以实现均匀的共沉淀,草酸盐兆沉淀 法作为三元正极材料的一种通用制备方法,反应过程中无需通入 保护气,合成工艺较为简单。本研究首先通过草酸盐共沉淀法合 成出锌掺杂和未掺杂的前驱体,后续混锂高温煅烧得到相应的正 极材料,并尝试解释zn 掺杂对高镍材料LiNio6Coo 2Mn0 2O2结构、 形貌和电化学性能的影响。 mol L。的溶液。取一定量的浓氨水加入去离子水稀释成1.5 mol 的氨水溶液。将以上三股溶液在计量泵的控制下以一定的进料 速率并流加入到四口烧瓶中进行反应,调节氨水的进料速度以控 制反应pH=5,水浴温度为5O℃,搅拌速度l000 rpm。反应结束 后陈化l2 h,对反应样品进行过滤,洗涤,以除去残留的S0 。 和c2O42’,在烘箱中100℃干燥l2 h后得到草酸盐前驱体,之后 经过滴定分析与碳酸锂(过量7%)混合煅烧得到最终产品,记作 Bare。 将反应原料按照摩尔比n(NiSO4"6H2O+CoSO4"7H2O +MnSO4·H2O):n(Zn(SO4)2·7H2O)=99:l进行称量,并溶于去离 子水中,配成0.5 mol L 的溶液,其他反应条件与上述一致,得 到的前驱体与碳酸锂混合煅烧后得到最终产品,记作Zn.doped。 1.2材料的表征 采用Philips公司的X’Pert Pro型x 射线仪(PW1730)进行物相 分析,使用Cu靶I(‘l辐射源( =0.154l8 nm),Ni滤波片,管流为 40 mA,管压为40 Kv,扫描速度8 ̄/min,扫描范围l0。~7O。。采 用JSM.7500FA型扫描电子显微镜来观察材料形貌和尺寸大小, 并配合EDS mapping分析元素分布状况。采用儿一6000型激光粒 度分布测试仪对样品的粒度分布进行测试分析。 l_3电化学性能测试 将活性物质、乙炔黑和聚偏氟乙烯(PVDF)按照8O:l3:7的 l实验 1.1样品的制备 将硫酸镍、硫酸钴、硫酸锰(摩尔比为6:2:2)和草酸按一定 比例进行称量,分别置于烧杯中加入适量去离子水溶解,配成0.5 [收稿日期】2018—04.05 【基金项目] 四川省科技支撑计划(2014GZ0077) 比例混合,并加入适量N.甲基吡咯烷酮(NMP),于球磨机中充分 混匀,将得到的浆料均匀涂覆在铝箔上,置于烘箱中120℃干燥 l2 h,再用切片机将极片切成直径为14 mm的圆片,经压片机20 Mpa压力下压实后得到正极极片。在充满氩气保护的手套箱中进 行电池的组装,以金属锂片作为负极,电池隔膜采用Celgard2400 聚丙烯膜,电解液(1 mol L )是将LiPF6溶解在碳酸乙烯酯(EC)和 碳酸二甲酯(DMc)(体积比1:1)中配制而成,再将上述材料和正 极极片进行组装,经封口机压实后最终得到CR2025型扣式电池。 在2.7 ̄4_3 v的电压区间进行恒电流充放电测试,测试温度为室 温,其中1C=l70 mA·g。。。使用两电极体系在室温下进行电化学 阻抗测试,频率范围为0.1 MHz~10mHz,交流幅值5 mV。 [作者简介】姚升超(1992.),男,芜湖人.硕士研宄生。主要研究方向为锂离子电池正极材料。·为通讯作者。 20I 8年笫10期 第45卷总第372期 2结果与讨论 !.1 xRD分 迎i盟rI,I kl If ji-能具仃 优的 牟性能、JtL外,zn掺 卡}. ^ Li(N10 6Co【】2Mnu!)I 9ZnI】…O!』I仃 人的( ,, }1Jj L/,:I ̄C 构缺 I掺 仃订肟样品1(00 ̄/,……的比fIJ{均大J 1.!. I』1] 阳离了 {llf 1 』 “】i。Zn 一掺 之j II'tgf1 ̄ ,【 / ¨l4 n fn人.r-掺 前f门 ”, l1Jj 锂镍混排 f【(,达也说i0J Zn2 掺尔 的样品IIJ 也』I 优l 『U化 I: 光 、2.2 SEM f¨EDS n3apping 为.r 察锌 前后材料J1=三觇的变化. Li(NIf1l,(、( 2Mnl )l【 Zn【_1【】,O2丰}I LiN_1)lnCo0 Mnl _O 仟I 逊f『扫捕 fix镜分 … 2町以 .zn 掺杂之』1 N ̄:q-} 体形貌 术 发 IIJJ^ 1'I9变化,仍 炎球形 构 zn:' 掺 之』 料:次默 牝 仃 卅人, ‘次 札之 松敞, ‘ 粒之川彳L隙叫^ 增衫,仃,7iJ¨ll撇材料和lU 液的接触,7"fTili ̄ J 高f手r散路 此外,{;扎 7'F,J 循叫、过fl{l rI1 町以仃效缓冲体 幢变,稳定¨ tol、 2 O/(”) 图1 Li(Ni {,( o 2Mn 2) q9Zn 【}10 2和LiNiI J6Co0 2Mn 202样品的  ̄RD图谱 Fig.I XRD patterns oi、Li(Ni㈨(’of)2Mn LiN (’o【】2MIlt1O 表I Li(Ni ^(、0 2Mn 2) 9qZn¨|…O2和LiNiI l6Co Mn :O2样品的 晶胞参数 Tab.I Lattice parameter ofLi(Ni㈨(、o【_3Mnl )l099Zn…l_O2 and LiN 6Co[ Ml】li 2O 图 2 i,i(Ni 6Coo 2Mn 2) q9Znl}_IJiO2(a,b)和I,INi 6(70 2Mn(1 20 2(c, d)样品的SEM图 从 l uJ 以 :if1,两个样 f I仃q't。的(;【一NaFeO J {尺 构,特 犬{=ci.无uJ]鼎杂中日峰f, .达说明Zn,掺 牝L 娈 休材科的 掬. 个样 的特 006/f()! 108/I l0的峰分裂现 啄f1』]显,表_lJj 均具fj 良好的 匀 1 利用Jade 6.0软什埘两 个样品的XRD _划世仃精修处 ,从 1 rIJ以青…,zn l』I 的 品品胞参数 ( 卡『】 伉均卡¨J、 增人,退魁山] zn 的、I (0 74 A)人 —N (0.69 A)、co (0 65 A)、M11 (0.67 A)In半fif",&I_』J Zn2 世入 品懈 1·I 。 时c轴增 也 叫j 仃鬯宽的 离J’{r敞 .2 SEM images ol’Li(N 10( (’ eMn¨ )【llII, l1I1…0 2(a,b)and LiNII o¨】 MI1{_20 Ic d) l剖3 …厂Zn 掺 之 仟 的EDS…¨.}lIli圈, 丁以行¨ Ni,Co,Mn,Zn阳fl}l元采 均匀分n 仵 料 川i,进一步验 r zn, 采成功地掺尔进入十寸 :}之· 图3 Li(NiI1 b(70lI_2MnII.2) 99Zn…0:样品的元素分布图 Fig.3 The element nlapping ot、Li(Niol、(、ol】3M13{J 2)0 9,JZnlllll() 放电比容精/fl1. h.g。 图4 Li(Ni 6ColI_2Mnm2)0 9Zn Il】O2和LiNi 6Co0 2Mn眦2O2样品在 0.1 c,2.7 ̄4.3 v电压范围内的首周充放电曲线 Fl 4 Initial charge dischar e profiles ol、 LI(Ni【】6(’oIl:MnI ) t)Z【1 c_…Oz and LiN 、( Ol Mn 】cl:0 ill 0 l C between 1 7 and 4 3 V 从I 4 ilJ 以胥…, 个 t 充放电flfl线较 、F泔,电压、 f} I 3.7 V 7 i ,表lJ【]屯放电过 比较稳定,没仃iIJj 的副反j ,1·Zn 掺 术掺 。 E 0.1, C卜的… 被IU比容节分圳'/、j l64 4 f【 1l67 4 mAh g~. } j Zn 掺 会稍m f 柑料的舀-J匍放I 比 } ,这恐}}t 1:Zn ’'/、J 忭元袭. .从l剖5町以看出. 2.7—4 3 V叱乐范…iq,Zn 掺 样品4vi l术{琴 I5^ l:0.1、0.2、0.5、1、3、5、l0 C lU L惭度f 分别 } …l64.4/167.4、l 37.1/l 55 6、127 5/l41.8、121.6/1 32.!、 ll 2.5/l()8.1、l04.4/92.5、87.8/64.2 uirAh·g 。的放}U比 节。从 【1j以疗H{, 小倍啤: 术掺杂样品具仃较 的放【乜比 帚, fI} 什l 溉律 旧增 .zn 掺尔的样 :¨ h的放I 比 这火uJj Zn 掺杂i,J以“妓L 蚌材科的人 卒屯放电性能,哒 9 I J‘zl1:掺杂之后的f - f 儿仃宦低的钾 ; j{If¨世宽的钾离J jr敞迎通,lI_彩丁L结掬』fl}尺J “电傲一电解液”披触 ,缩碰了Li 扩敞踏 …I 、此外,l J。以} t观地发现,j 个 门放电电压 “ ? :f 流衔度的f:升而 删卜 ,电 平台出 之变 ,术掺杂} 『】放 l』} t卜降更为I - ,这足l{_于江大iU流 』业卜.十寸料 允 放i Li过 l{]技q 极化观浆 敛i · 1。山儿 ,找们比i,J以得…,Zn: 掺尔之 的样 】 危 l1 过 ·}i的极化稃f逆 小,[划而 观… f』c计的f ’ t Zn:掺 未拷尔}丫-1ft m l00周前JI 0放 比杏 分圳 .广32 东化工 2018年第10期 第45卷总第372期 www.gdchem.com 为1 15.4/97.7、126.5/92.1 mAh·g。。。对应的容量保持率分别是 84.7%和72.7%,由此可以得出,Zn2 掺杂可以有效改善材料的 循环性能,说明惰性的Zn2 可以起到支撑材料结构的作用。XRD 结果表明锌掺杂之后材料表现出更完整有序的六方层状结构,这 也进一步为其循环性能的提升提供了保证。 放电比容量,mAh g l 图5 Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)0 Zn0-0lO2和L.Ni0.6Coo.2Mn0.202样品在0.1到10C倍率下的I(a)倍率性能图、(b)1C倍率下循环性能图以及《c,d) 不同倍率下的首次放电曲线 Fig.5(a)Rate capability of Li(Ni0 6Coo 2Mno 2)0 99Zno 0102 and LiNi0 6Co0 2Mno 202 at different current densities from 0.1 to 1 0 C,(b)cycling performance at 1 C and(c,d)discharge voltage profiles under different current rates 为了进一步了解材料在电化学反应过程中的动力学特性,取 l C电流密度下循环lOO圈之后的电池进行电化学阻抗测试,并 通过Zview软件拟合出对应的等效电路图。两个样品的R 值分别 为1.20和1.89 Q,相差不大,表明其对应电池的溶液阻抗基本一 致,而zn 掺杂样品的 值为35-38Q,远小于未掺杂样品的69.68 Q,表明Zn2 掺杂之后的样品有利于电极材料和电解液之间的电 荷传递,改善了材料的电化学性能。通过计算可得Zn 掺杂和未 掺杂样品的锂离子扩散系数分别为9.82x10 和5.14x10 cm2·s‘ 表明Zn2 掺杂之后的样品具有更大的锂离子扩散系数, 因而也表现出更加优异的倍率和循环性能。 ,(a) 图6 Li(Ni0.6Coo.2Mn0 2)0.9qZn0_0102和LiNi¨Co0.2Mn0.2O2样品的【a)电化学阻抗图谱以及(b)z’和to 的线性关系图。 Fig.6(a)EIS plots of Li(Nio 6Co0 2Mno 2)0 99Zn0 olO2 and LiNio 6Coo 2Mno 202 electrodes with an equivalent circuit(inset).(b)Relationship between real pans of the complex impedance and m‘ 表2 由等效电路得到的阻抗拟合结果 Tab.2 Fitting results of equivalent circuit from Nyquist curves for thetwo samples 参考文献 【1】Yanping Chent Yun Zhang,Fu Wang,et a1.Improve the structure and electrochernical performance of LiNi0 6COO 2MI10 O2 cathode material by nano—AhO3 ultrasonic coating[J].Journal ofAlloys and Compounds,20l4, 6ll:135.141. 『21Wen Liu,Pilgun Oh,Xien Liu,et a1.Nicke1.Rich Layered Li山ium Transition—Metal 0xide for High.Energy Lithium—Ion Batteries 3结论 采用草酸盐共沉淀法制备出Zn 掺杂的LiNi0 6Coo 2Mn0 2O2 正极材料,与未掺杂材料相比,其具有更有序的六方层状结构和 更宽的锂离子扩散通道,锂镍混排程度更低;锌掺杂之后的材料 次颗粒之间变得松散,出现了多孔形貌,有利于电化学性能的 发挥:锌掺杂之后的材料表现出更优异的倍率和循环性能,l0 C 下放电比容量提升了37%,l c下循环100圈之后容量保持率提 升了l2%;锌掺杂有效降低了电荷传递阻抗,提高了锂离子扩散 速率。 一『J1.Angewandte Chemie—lnternational Edition.20l5,54(15):4440—4457. 『3]Chunyan Fu,Zhongliu Zhou,Yonghui Liu,et a1.Synthesis and Electrochemical Prope ̄ies of Mg-doped LiNi0 6CO0 2Mno 202 Cathode Materials for Li—ion Battery[J1. Journal of Wuhan University of Technology.Materials Science Edition,20l】,26(2):2l2.216. 『4]Hamki Kaneda,Yuki Koshika,Takuma Nakamura,et a1.Improving the Cycling Perforl//ance and Thermal Stability of UNi0 6CO0 2Mno 202 Cathode Materials by Nb—doping and Surface M0difjcati0n『J].International Journal of Electrochemical Science,20l7,12(6、:4640.4653. (下-转第45页) 20I8年第10期 第45卷总第372期 广 东 化 工 www.gdchen1.COin 45 表3地沟油脱胶正交试验因素水平 Tab.3 Factors and levels ofthe waste oiI degumming orthogonal experiment 表4地沟油脱胶正交试验结果 Tab.4 Result of the waste oil degmnming onhogonal test [f1表4 i,J‘ ,脱歧 簪影响fi9人小 睁为:脱 ,J蔓(A)>水ft 时rHJ(D)>水川 (C)>酸{tti,J (B).[【;lJ温度对脱歧车f19影响最人, 酸化时川fi9 响最小。朵刖均价分折,得到最优的水平组合为 A!B clD:.【!『J 歧温 、酸ft时 、水用景币¨水ft时r司分别为 6()℃、40 min、3‘Yo#t l30 min.此u、j脱歧率呵边剑97.92%。 f31寡臣,胤洪星,fl骏,等.地沟油的特点^乏 危害[J].农产· 6:69—70. 【 ,2010, 【4]余擎字,何若 .地7 油对人体健I_拈的也 t 】.粮油食 }z科技,2()l l, 19(41:36—37. 3结论 用托’檬舷一硅 联台悦去地沟;if{ … 朵顷,脱咬后 用椒氯 水氧ft露 _lJ量附州联合的 埘地沟汕中有包物J次进行去除, 脱歧率币【 包半分HilJ达到97.92%哒刮99 41%.【1j行放。H记胶的 最优I 艺:Jj;2胶濉瞍6O℃、睃ftitq’f'f】J 40rain、水川 3%、水化 [1、f问30 illiI1。脱色最优工艺:濉 10() C、双氧水川 0.20 mL/g、 双钒水脱包}『、f川ii 20 rain、硅歧川 8%、砖胶脱色_f’j问20 min, 最件条”卜 {:i。 【5]韩最生.油腊 烁r艺学【M1.北京:r…_ 政经济出版社,l989,l58. 161-镪 榆.郭磊.J红鸯.博.植物油脱忮研 圮世腱lJ1.食·j '}学,2006, 27(91:268—270. 1 7】段}S、1 .人— ;}} ;1 、J】 胶的 l 产:J立Il】[J].一f·I Kl ih脂,2Ol 3.38(8):11.13. 【8]Demirbas A.Biodiesel from w aste cooking oil via basecatalytic and supercritical methanol transestel iifcation[J】.Enm gY Conversion and Manag enlcnt,2009.50(41:923-927. 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