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高镍层状材料的研究对锂电池正极材料具有哪些重要意义!
高镍层状材料的研究对锂电池正极材料具有哪些重要意义!
  • 发布时间:2020-02-03 15:12

高镍层状材料的研究对锂电池正极材料具有哪些重要意义!

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锂电池已广泛应用于便携式电子设备,并逐步向电动交通工具、高效储能电站等拓展。目前相比于已开始商业化的高容量的Si/C负极材料,正极材料成为了限制锂电池性能提升的关键。高镍层状氧化物由于高的质量/体积能量密度、优异的倍率性能及较低的成本优势等,被认为是有希望的下一代高能量锂电池正极材料。
 
锂电池具有多种正极材料,层状结构的LiCoO2是当前主要的商品化锂电池正极材料,其综合性能优异但成本较高,Co存在毒性,制约了其更大规模应用。高镍正极材料(Ni≥80%)相比于传统的层状LiCoO2具有高比容量、低成本、长寿命等优点,是目前国内外的研究热点,已逐渐进入商品化应用阶段,被认为是极具应用前景的锂离子动力电池正极材料。
 
层状结构NCM中镍是主要的氧化还原反应元素,因此提高镍含量可以有效提高NCM的比容量高镍含量NCM材料具有高比容量和低成本的特点,但也存在容量保持率低,热稳定性能差等缺陷,使其商业化难度大。高镍NCM材料的性能和结构与制备工艺紧密相关,不同的制备过程与条件直接影响产品的最终结构和性能。
 
高镍NCM正极材料其晶体电子结构特征以及镍含量变化对、制备方法和掺杂和包覆改性对高镍材料性能有重要影响。然而高容量和高循环性能之间难以妥协,适当降低材料和充放电容量以换取更长循环寿命是工业企业值得考虑的方案。
 
我国在高镍锂电层状正极材料领域新突破
与目前商业化的钴酸锂、磷酸铁锂和三元锂电池材料相比,高镍层状材料具有容量高和成本低的优势,是下一代动力电池正极材料的首选之一。然而其较差的循环稳定性和倍率性能成为制约其商业化应用的主要因素,这和高镍正极材料的表面结构和化学特性有很大的关系。
 
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%。
 
在高镍正极材料的表面结构和化学特性方面的研究,我国取得了新进展。近日由北京大学深圳研究生运用原位同步辐射X-射线衍射谱、X-射线吸收谱(XPS)、扫描透射显微镜-电子能量损失谱结合电化学表征,对锂电池高镍层状氧化物材料在制备过程中的表面重构现象及相关机理进行了深入研究,
 
目前高镍三元材料是锂电池材料发展的主流方向之一。研究高镍材料的表面结构,找出影响其电化学性能的结构起源和机理,对于提升高镍材料的电化学性能,加快其产业化进程,具有十分重要的意义。
 
高镍NCM正极材料性能很大程度上取决于颗粒的尺寸和形貌,因此制备方法大多集中于将不同原料均匀分散,得到小尺寸、比表面积大的球形颗粒。高镍NCM正极材料存在阳离子混排和充放电过程中相变等缺点,掺杂改性和包覆改性能够有效改善这些问题,在抑制副反应发生和稳定结构的同时,提高导电性、循环性能、倍率性能、存储性能以及高温高压性能,仍将是研究的热点。
 
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