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锂电正极材料的有序度调控:高镍层状氧化物

锂离子电池作为现代便携式电子设备和电动交通工具等的主要供能电源,是当前高科技社会不可或缺的重要组成部分。因此,要求锂离子电池具备高的能量和功率密度、优异的循环性能、良好的环境效应、低的成本及安全稳定性等特征。

随着高性能硅碳复合负极材料的快速发展,正极材料成为了制约下一代锂离子电池发展的关键性因素。层状富锂和高镍过渡金属氧化物均具有高的储锂比容量和工作电位,是当前锂离子电池正极材料研究的两种热点材料。

富锂层状正极材料循环过程中工作电位持续降低的技术难题至今尚未得到妥善的解决,因此,高镍层状氧化物有望成为高能量锂离子电池理想的正极材料。但是,高镍层状正极材料(LiNi1-xMxO2;M=Co,Mn,…)制备过程中会出现Ni3+向Ni2+离子的还原及后续Ni2+在锂离子层间的占位,使得最终产物结构中出现Ni2+/Li+阳离子的混排和表面熔岩杂相的形成,严重影响了高镍层状正极材料的电化学性能。

针对以上问题,美国布鲁克海文国家实验室可持续能源技术系FengWang研究员及同步光源IIJianmingBai研究员与苏州大学物理光电·能源学部能源学院高立军教授课题组成员赵建庆副教授等利用原位X射线衍射、同步辐射X射线衍射、高分辨扫描透设电镜及中子衍射等先进技术手段研究了高镍层状氧化物制备过程中的相变转化、阳离子混排的具体成因及影响其层状结构有序度的相关因素。

通过钴元素的掺杂和煅烧工艺(煅烧温度、煅烧气氛和保温时间)的优化,大大降低了高镍层状氧化物热处理过程中Li元素的流失和结构表面NiO型熔岩相的形成,获得了具有高层状结构有序度的LiNi0.8Co0.2O2,其Ni2+/Li+阳离子混排率低于2%。

优化制备的高镍层状正极材料在宽工作电位(2.7-4.6V)下的比容量可达220mAh/g以上,并且循环稳定性能得到了显著的提升。同时,XRD和NDP数据的精修结果表明,NiO前驱体通过锂化直接形成了贫锂的层状中间相,未出现普遍报道的类尖晶石中间过渡相。

该贫锂的层状中间相在最佳煅烧温度条件下存在着锂化和锂氧流失的竞争关系,是高镍层状氧化物结构表面出现熔岩杂相的主要原因,可通过优化热处理条件和必要的钴掺杂来提高高镍层状正极材料的结构有序度和电化学性能。

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