锂离子电池正极材料LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2界面修饰研究

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自锂离子电池成功商业化以来,在便携式数码产品、电动汽车、航空航天等领域得到了广泛的应用。然而,现有锂离子电池体系的能量密度和功率密度不足以满足日益增长的需求。作为锂离子电池体系中的主要组分,正极材料是限制其性能的“瓶颈”。相比于传统的钴酸锂(Li Co O2)、锰酸锂(Li Mn2O4)正极材料,高镍三元正极材料(Li NixCoyMnzO2,NCM)凭借其高能量密度和较低的成本等优势,被认为是下一代锂离子电池中电极材料的首选。高镍Li Ni0.6Co0.2Mn0.2O2(高镍NCM622)系三元材料在能量密度和安全性能等方面具有更均衡突出的表现,成为了近年来的研究热点。同时,其也存在高电压下容量衰减较快、快充性能较差、电极/电解质界面稳定性较差以及表面残锂等问题。因此,本论文围绕高镍NCM622正极材料进行界面修饰,从提升循环稳定性、倍率性能以及对正极材料与电解质界面间的保护作用等方面入手。本论文在第三章中采用了多晶NCM622正极材料作为主体材料,随着研究水平的进步和工业界的需求提升,在随后的第四、五章中采用了循环稳定性更高、颗粒完整性更高的单晶NCM622(SC-NCM)正极材料作为主体材料。主要研究内容有:(1)采用溶胶-凝胶法将钛酸钡(Ba Ti O3,BTO)纳米点包覆在多晶NCM622正极材料表面上。适量的压电性BTO包覆层,一方面提升了电极/电解质界面的稳定性,抑制了正极电解质界面膜(CEI)的过度增长;另一方面通过恒电流间歇滴定(GITT)法,验证了BTO包覆层有助于促进锂离子扩散系数。0.5-NCM@BTO在室温1 C和5 C下分别具有171和147.6 m Ah g-1的放电比容量,经过长循环后仍具有89%和86.6%的容量保持率。此外,原位微分电化学质谱测试(DEMS)表明这种界面修饰策略降低了锂离子电池体系运行过程中的CO2气体释放。(2)采用有机酸冰醋酸处理(HAc)解决SC-NCM正极材料的表面残锂问题,同时结合二氧化钛(Ti O2)包覆的界面修饰策略。X射线光电子能谱(XPS)和透射电子显微镜(HRTEM)等表征验证了酸处理可有效清除表面残锂化合物(Li OH和Li2CO3),同时在SC-NCM正极材料表面上形成了均匀包覆的Ti O2层。这种界面修饰策略抑制了SC-NCM正极材料的层状结构的相变以及循环过程中容量和电压的衰退,避免了活性材料颗粒在长循环后发生微裂纹和破裂。基于原位X射线衍射(XRD)和DEMS测试,0.5-NCM@Ti O2正极材料在首次充放电过程中呈现出良好的结构可逆性,并且有效地抑制了产气行为。此外,空气稳定性测试证实这种界面修饰策略可大幅度提高SC-NCM正极材料在长期储存过程中的界面稳定性。其中,最优包覆量的0.5-NCM@Ti O2正极材料在室温和高温(50)时1 C循环下相比于原始材料的容量保持率分别提升了14.4%和9.8%,并且具有99%左右的稳定库仑效率。(3)为解决表面残锂问题并且改善材料的离子和电子导电性,采用硼酸(H3BO3)处理SC-NCM正极材料。通过电化学阻抗谱(EIS)、循环伏安法(CV)和GITT三种方法分别对材料的传输动力学进行了评估,结果均表明经过界面修饰后的SC-NCM正极材料具有较高的表观锂离子扩散系数。得益于偏硼酸锂-氧化硼(Li BO2-B2O3)混合导体包覆层,1-NCM@LBO正极材料呈现了最优异的循环稳定性和倍率性能,在5 C下的放电比容量达141.9 m Ah g-1,经过500次循环后容量保持率为61.4%。此外,在不断提升充电截止电压(4.3、4.5和4.7 V)的1 C循环性能测试中,1-NCM@LBO正极材料均呈现出更高的容量保持率(82.7、88.5和80%)相比于原始材料(76.5、62.9和39.5%)。基于微分容量曲线(d Q/d V-V)和循环后电极的XRD图谱,证实了Li BO2和B2O3混合包覆层有利于抑制SC-NCM正极材料的层状结构到尖晶石/岩盐结构的相变过程,减轻了晶间和晶内机械裂纹,有效稳定了电极/电解质界面,呈现了优异的循环寿命。
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