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、高可逆容量等優點，在鋰離子電池正極材料領域取得廣泛應用。在反復充放電過程中正極材料顆粒由表及里發生副反應造成活性物質不可逆相變，導致容量降低和循環衰減，當前研究主要通過提升材料界面穩定性，來改善不同測試條件下的電化學性能。如何獲得界面結構穩定的過渡金屬氧化物正極材料是高能量密度鋰離子儲能體系必須解決的問題。中國科學院上海硅酸鹽研究所先進材料與新能源應用研究團隊與北京大學研究人員合作，提出新的界面穩定策略，在過渡金屬氧化物正極材料研究中取得系列進展。

從中國傳統瓷器藝術品裂紋釉中獲得靈感，研究通過有機氟酸（四氟對苯二甲酸C8H2F4O4）刻蝕處理并結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穩定性（25℃，100%@400圈；60℃，97%@200圈）。該方法也可以擴展應用至其他過渡金屬氧化物正極材料體系。相關研究成果以Amorphous fluorine glaze for crack-freenickel-richlayered cathode grains under electrochemical cycling為題發表于Chemical Engineering Journal。

隨著鋰離子電池儲能體系向高緯度、高海拔地區等應用場景的拓展，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下表現出179.2mAhg-1的高可逆比容量和優越的循環穩定性（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建浸潤性好、離子電導率高和穩定性強的固液電解質界面具有積極效果。相關研究成果以Constructing Robust Cathode/Electrolyte Interphase for Ultrastable 4.6V LiCoO2 under -25℃為題發表于ACS Applied Materials&Interfaces。

相關研究工作得到國家自然科學基金、國家博士后基金、上海市自然科學基金和上海市科技創新行動計劃等項目的支持。