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上海硅酸鹽所等在過渡金屬氧化物正極材料研究方面取得進(jìn)展

上海硅酸鹽研究所 2022-07-20 13:37:19

過渡金屬層狀氧化物（如LiNi1-x-yCoxMnyO2、LiCoO2）憑借高電壓、高可逆容量等優(yōu)點(diǎn)，在鋰離子電池正極材料領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。在反復(fù)充放電過程中正極材料顆粒由表及里發(fā)生副反應(yīng)造成活性物質(zhì)不可逆相變，導(dǎo)致容量降低和循環(huán)衰減，當(dāng)前研究主要通過提升材料界面穩(wěn)定性，來改善不同測試條件下的電化學(xué)性能。如何獲得界面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的過渡金屬氧化物正極材料是高能量密度鋰離子儲(chǔ)能體系必須解決的問題。中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所先進(jìn)材料與新能源應(yīng)用研究團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)研究人員合作，提出新的界面穩(wěn)定策略，在過渡金屬氧化物正極材料研究中取得系列進(jìn)展。

從中國傳統(tǒng)瓷器藝術(shù)品裂紋釉中獲得靈感，研究通過有機(jī)氟酸（四氟對苯二甲酸C8H2F4O4）刻蝕處理并結(jié)合高溫煅燒制備出金屬氟化物在一次/二次顆粒界面均勻包覆改性的LiNi0.8Co0.15Mn0.05O2正極。該方法顯著抑制材料晶間裂紋生長，提升了材料的長循環(huán)穩(wěn)定性（25℃，100%@400圈；60℃，97%@200圈）。該方法也可以擴(kuò)展應(yīng)用至其他過渡金屬氧化物正極材料體系。相關(guān)研究成果以Amorphous fluorine glaze for crack-freenickel-richlayered cathode grains under electrochemical cycling為題發(fā)表于Chemical Engineering Journal。

隨著鋰離子電池儲(chǔ)能體系向高緯度、高海拔地區(qū)等應(yīng)用場景的拓展，對正極材料的低溫性能提出更高要求。通過一種新穎且簡便的軟化學(xué)法在LiCoO2表面上均勻包覆一層厚度約為5nm的非晶磷酸鋯層，可有效改善其在低溫環(huán)境的使用性能。得益于較高的界面相容性和更小的極化程度，改性材料在-25℃和4.6V下表現(xiàn)出179.2mAhg-1的高可逆比容量和優(yōu)越的循環(huán)穩(wěn)定性（91%@300圈）。通過EIS阻抗、接觸角、GITT和TEM表征，證明改性材料表面的非晶包覆層對構(gòu)建浸潤性好、離子電導(dǎo)率高和穩(wěn)定性強(qiáng)的固液電解質(zhì)界面具有積極效果。相關(guān)研究成果以Constructing Robust Cathode/Electrolyte Interphase for Ultrastable 4.6V LiCoO2 under -25℃為題發(fā)表于ACS Applied Materials&Interfaces。

相關(guān)研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家博士后基金、上海市自然科學(xué)基金和上海市科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。