研究團隊創新性地開發出一種無鈷正極材料,不僅降低了電池成本,而且提高了正極材料的結構穩定性和電池的循環穩定性能,綜合電化學性能進一步提升。

電解液一步法原位改性富鋰錳基正極材料獲得優異電化學性能

電解液一步法原位改性富鋰錳基正極材料獲得優異電化學性能

正極材料通過實現無鈷化獲得高電化學性能

正極材料通過實現無鈷化獲得高電化學性能

伴隨“雙碳”目標的不斷落實和推進,電動汽車、風光儲等新能源產業逐漸成為當下的研究熱點。鋰離子電池一直是應用最廣泛的儲能器件,提高電池的能量密度,是目前鋰電發展的主要方向之一,正極材料的結構與組成是影響電池能量密度的重要因素。

中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員武建飛帶領的先進儲能材料與技術研究組,布局多種鋰電正極材料體系,深耕高鎳三元、富鋰錳基等核心高能量密度正極材料的研發,近年來取得了一系列突破性進展。

在高鎳三元LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)正極材料方面,研究團隊巧妙設計,通過由內而外修飾方法成功開發出一種氧化鋁包覆的鎂摻雜NCA(Al2O3@Mg/NCA)體系。以該方式構建的NCA材料具有穩定的內部結構,通過抑制材料內部相變和陽離子摻雜,在抑制副反應發生的同時實現了體系內部快速的電子傳輸。在1C的倍率下,電池歷經250次循環,容量仍能保持在95%以上。該工作為NCA材料的商業化奠定了相關基礎,也為動力電池正極材料的設計與改性提供了新的發展思路。富鋰錳基正極材料因其高比容量、高能量密度、低成本等優點,非常適合用于新一代高能量密度鋰離子動力電池。但是其材料自身低首效、循環及倍率性能差、電壓衰降嚴重的本征缺陷,以及缺乏相匹配高壓電解液等問題制約了商業化應用和發展。研究團隊獨辟蹊徑,通過電解液一步法原位改性,成功開發出一種全性能富鋰錳基電池體系相關研究,結果發表在《應用材料與界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)。通過SEM/TEM/XPS/ICP-AES等一系列測試,證實在正負極表面原位包覆形成了含氟的堅固致密CEI保護膜,既穩定了正極材料結構,又抑制了電解液分解對正極材料造成的腐蝕,有效減少了金屬離子的溶出,從而大幅提升富鋰錳基正極材料的綜合電化學性能。改性后的富鋰正極材料首次放電比容量達到300mAh·g-1,在0.5C倍率下經過500次充放電循環后容量保持率高達88%。同時,電池循環過程中的電壓衰降也得到很好的改善。

鈷作為正極材料主要成分,因其資源稀缺和價格高昂,已經成為制約鋰離子電池行業供應鏈的關鍵因素之一,低鈷甚至無鈷逐漸成為了電池發展的趨勢。為此,研究團隊創新性地開發出一種無鈷正極材料,不僅降低了電池成本,而且提高了正極材料的結構穩定性和電池的循環穩定性能,綜合電化學性能進一步提升,相關研究結果發表在《應用材料與界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)。經過SEM/HE-TEM/原位XRD/XPS/CV等表征發現,無鈷正極材料改善了正極結構從層狀到尖晶石和巖鹽相的結構劣化,并且循環過程中高電壓下的結構失氧以及過渡金屬遷移問題得到抑制。正負極表面原位形成的均勻且堅固的CEI膜和SEI膜,進一步增強了正負極的結構穩定性,對電解液中的副反應、鋰枝晶的發生以及對正負極的腐蝕起到有效抑制作用,因此無鈷正極電池表現出優異的循環和倍率性能:0.5C倍率循環200次可以實現99%的高容量保持率和僅10mV的超低電壓衰降;即使1C大倍率循環500次仍維持90%的容量,循環后的正極材料仍能保持穩定結構。該工作實現了高比能正極材料的“無鈷化”,在提高電化學性能的同時降低了電池的材料成本,是具發展前景的正極材料。

此外,研究團隊針對鋰電池及正極材料的現有問題提出了多種解決方案,取得并發表了一系列創新性研究成果。

上述系列工作得到兩項國家自然科學基金面上項目、兩項中國博士后科學基金項目、兩項山東省自然科學基金、山東省重點研發計劃項目等的支持與資助。

[責任編輯:張倩]

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