高容量正极材料:富锂材料研究进展

本文摘要:提升锂离子电池能量密度仍然是锂离子电池研究的终极命题,人们大大的从电极材料、电极结构等领域探寻提升锂离子电池能量密度的方法,例如负极材料方面,从传统的LiCoO2材料,发展到如今的三元NCA、NCM材料,比容量从140mAh/g提升到了200mAh/g。负极材料随着Si基负极的兴起,比容量也从360mAh/g直线提高到了1000mAh/g以上,而锂离子电池的结构堪称发展出有了圆柱形、方形和软包等几种形式,但是在提升锂离子电池比能量的道路上,人们总有一天也会停下来探寻的脚步。

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提升锂离子电池能量密度仍然是锂离子电池研究的终极命题,人们大大的从电极材料、电极结构等领域探寻提升锂离子电池能量密度的方法,例如负极材料方面,从传统的LiCoO2材料,发展到如今的三元NCA、NCM材料,比容量从140mAh/g提升到了200mAh/g。负极材料随着Si基负极的兴起,比容量也从360mAh/g直线提高到了1000mAh/g以上,而锂离子电池的结构堪称发展出有了圆柱形、方形和软包等几种形式,但是在提升锂离子电池比能量的道路上,人们总有一天也会停下来探寻的脚步。

  富锂材料是近年来新兴的一种高容量负极材料,具备固溶体结构,比容量最低平均300mAh/g以上,工作电压最低平均4.8V,远高于目前的三元NCA和NCM材料。当然这种材料也不存在着短板,不可逆容量低、循环性能劣、静电电压衰降等都妨碍着富锂材料的应用于。富锂材料在循环过程中衰降的主要原因是其层状结构向尖晶石结构再次发生改变,研究指出表面涂层,如Al2O3、AlF3和AlPO4等材料;以及电解液添加剂,如LiBOB;阳离子掺入,如K+、Mg+、Al3+等金属阳离子等方法对诱导材料从层状结构向尖晶石结构改变都有明显的起到。用于电压也对富锂材料的循环具有明显的影响,例如电池累计电压和充放电倍率等都对材料的容量衰降和电压衰降不会产生明显的影响。

  近日以色列的巴伊兰大学的PrasantKumarNayak等人针对累计电压对富锂Mn材料循环性能的影响积极开展了涉及研究。PrasantKumarNayak使用自自燃法制备了Li1.17Ni0.25Mn0.58O2材料,富锂材料比起于其他材料的不同之处是,在用于之前要经历一个转录的过程,一般是将电池电池至更高的电压,例如4.6V或者4.8V,使得材料之中非活性互为改变为具备活性的LixMnO2互为,从而取得较高的共轭容量。  实验中找到,予以转录的电池在2.3-4.3V之间循环时,其比容量仅有为110mAh/g,但是静电电压平台较高,超过3.8V以上,循环100次后,电压平台衰降至了3.7V左右。

经过4.6V转录的电池在2.3-4.3V之间循环时,期初始比容量超过200mAh/g,循环100次平稳在170mAh/g左右,静电电压平台上升到3.62V左右。经过4.8V转录的电池在2.3-4.6V循环时,其初始比容量高达240mAh/g以上,循环100次,衰降多达10%,静电平台电压也上升到了3.55V左右。  材料的电压衰降主要是由于循环过程中从层状结构向尖晶石结构改变,尖晶石结构材料导致电压上升,同时尖晶石结构不存在的John-Teller效应也不会使得尖晶石结构渐渐被毁坏从而导致容量衰降。

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某种程度的现象也不存在于NCM材料中(还包括富Li、Mn和Ni材料),导致材料的电压渐渐衰降,这某种程度有一点我们尤其注目。  该项研究找到,经过4.6V转录,并在2.3-4.3V之间循环的材料,即通过转录过程提升了材料的容量,对材料的稳定性未导致过于大的影响,因此展现出出有了较好的循环稳定性。


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