简述提升动力电池富锂材料循环性能和倍率性能的材料

2018-09-14      2769 次浏览

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锂离子电池从诞生到现在,能量密度已经得到了极大的提升,从最初的几十瓦时/公斤,发展到如今的200Wh/kg以上,锂离子电池的每一次能量密度的提升都离不开材料技术进步的支持。

而今天随着电子技术的快速发展和电动汽车的迅速普及,对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求,传统的LiCoO2已经无法适应现在高比能锂离子电池的需求,取而代之的是刚刚兴起的三元材料NMC和NCA材料。

三元材料特别是NMC材料容量可达200mAh/g左右,远高于LiCoO2材料,是一种十分具有潜力的新一代锂离子电池正极材料,但是锂离子电池的技术不断发展,三元材料NMC也无法满足进一步提升锂离子电池能量密度的需求,因此人们提出了具有固溶体结构的富锂材料。

相比于三元材料,富锂材料的比容量可以达到300mAh/g,容量提升超过50%,电压可达4.8V,远高于NMC材料,同时富锂材料采用了较多的成本较低的Mn元素,使得富锂材料的成本远低于NMC材料和NCA材料,是一种具有巨大潜力的下一代正极材料,可以帮助锂离子电池向着比能量300Wh/kg发起挑战。

虽然富锂材料具有这么多优点,但是富锂材料距离实际应用还有两大障碍需要克服,首先是富锂材料的循环性能较差,随着循环的进行容量快速衰降,循环寿命一般不超过300次,其次在循环过程中,富锂材料的放电平台电压会逐渐下降,造成富锂材料的能量密度下降。

相关的研究显示,造成这一现象的主要原因是富锂材料在较高的电势下,界面不稳定造成电解液氧化分解和过渡金属元素溶解等问题,以及在嵌锂和脱锂的过程中富锂材料发生不可逆的相变造成。

表面改性处理被认为是最为有效的处理方法,通过有效的表面包覆,可以显著的提高富锂材料的电解液界面的稳定性,抑制副反应的发生,改善循环性能。例如AlF3、Al2O3等都可以用于富锂材料的表面改性处理,但是传统的表面包覆材料虽然能够提高富锂材料的循环性能,却会造成可逆容量降低和倍率性能下降。

为了解决上述表面包覆材料存在的问题,哈尔滨工业大学的ChengChen提出了一种氧缺位包覆技术,例如他们将氧缺位纳米SnO2材料涂包覆在富锂材料Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2颗粒的表面,显著的提高了富锂材料的倍率性能和循环稳定性,并且首次发现了SnO2的氧缺位能够提高富锂材料的初始容量,为富锂材料的表面改性处理提供了一个新的思路。

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实验中纳米SnO2的添加量为1%左右,纳米SnO2的平均粒径在4.35nm左右,包覆层的厚度在4-8nm之间。在电化学测试中由于O损失,导致未包覆的富锂材料的首次放电容量仅为226.4mAh/g,而纳米SnO2包覆的富锂材料的首次放电容量则为264.6mAh/g,提高了38.2mAh/g。

倍率测试也发现,纳米SnO2包覆也能够有效的提升富锂材料的倍率性能。在2.0-4.8V之间,1C的倍率下,环境温度为25℃进行循环性能测试,循环200次,没有经过包覆的富锂材料容量为144.8mAh/g,容量保持率为78.5%,而经过包覆处理的富锂材料剩余容量则为179.2mAh/g,容量保持率为89.9%。

纳米SnO2包覆对高温循环的提升更加明显,也显著的抑制了富锂材料的电压衰降,这主要得益于纳米SnO2包覆层显著的提高了富锂材料的界面稳定性,减少了副反应的发生。

纳米SnO2包覆层,不仅显著的改善了富锂材料的循环性能和倍率性能,抑制了在循环过程中的电压衰降,还通过减少O损失,提升了富锂材料的首次放电容量,为富锂材料的表面包覆处理提供了一个新的思路。

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