高能量密度锂离子电池双重修饰富镍正极材料实现突破

发布日期:2019-02-15
核心提示:锂离子电池富镍层状正极材料因可逆容量高、成本低等优点被认为是最有希望的下一代锂离子动力电池正极材料,然而该材料还存在界面稳定性差、二次颗粒内部结构衰退等问题。研究发现,富镍材料在高脱锂态时,高价镍离子易与电解液反应,并放出热量和气体,引起材料界面阻抗增加,循环性能及安全性恶化
 


锂离子电池富镍层状正极材料因可逆容量高、成本低等优点被认为是最有希望的下一代锂离子动力电池正极材料,然而该材料还存在界面稳定性差、二次颗粒内部结构衰退等问题。研究发现,富镍材料在高脱锂态时,高价镍离子易与电解液反应,并放出热量和气体,引起材料界面阻抗增加,循环性能及安全性恶化。另一方面,富镍材料电化学循环过程中H2-H3相变引起的各向异性体积变化,易导致二次颗粒内部晶间裂纹的产生与扩展,电解液将沿着微裂纹渗透,进一步侵蚀体相内一次颗粒表面,引起层状相到尖晶石相或岩盐相的转变,电化学性能显著降低。传统的掺杂或包覆的单一改性方法仅能解决材料在结构稳定性或界面稳定性单一方面的问题,而常规的掺杂与包覆双重修饰的方法工艺复杂,尤其在湿法改性过程中易破坏正极材料表面结构。因此,设计一种简单高效的改性策略来增强富镍正极材料具有重要意义。
 
近日,长沙理工大学李灵均副教授课题组联合厦门大学张桥保助理教授课题组以及美国阿贡国家实验室陆俊教授课题组(共同通讯作者)从分析Ti和La在LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2表面的迁移势垒出发,发现Ti掺入体相而La逃离至表面的状态为体系能量最低的状态即稳定状态。根据理论计算结果,合理设计并同步合成了Ti掺杂&La4NiLiO8包覆(简写为Ti&LaMO)的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极材料。该材料展现出优异的电化学性能,常温1 C倍率下经200圈循环后,容量保持率为90.55%,高温(60℃)1 C倍率下经过150次循环后,容量保持率为83.28%。对循环后材料进行TEM分析发现,Ti&LaMO双重修饰能有效抑制富镍材料在循环过程中表面纳米尺度的结构退化,从而增强富镍材料的表面稳定性。此外,作者们采用TXM显微成像对循环前/后的正极材料进行可视化研究,证明Ti&LaMO抑制了正极材料二次颗粒内微裂纹的产生与循环过程中微裂纹扩展。通过2D-FF-TXM-XANES研究Ni3+的浓度分布,揭示了循环后富镍材料二次颗粒间Ni3+的不均匀分布得到抑制,材料二次颗粒的结构稳定性显著提升。该文以“Simultaneously Dual Modification of Ni-rich Layered Oxide Cathode for High-energy Lithium-ion Batteries”为题发表在国际著名期刊Advanced Functional Materials上。论文第一作者为长沙理工大学硕士研究生杨慧平,共同一作为内布拉斯加大学林肯分校的吴宏辉博士后和布鲁克海文国家实验室的Ge Mingyuan 博士后,该工作得到了布鲁克海文国家实验室Xin Huolin教授在TEM数据分析方面和中科院海西研究院(厦门)钟贵明研究员在NMR表征方面的大力支持。
 

 
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