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高鎳三元正極材料動(dòng)力學(xué)性能

發(fā)布時(shí)間：2020.12.02

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在目前已商業(yè)化的二次電池中，鋰離子電池在能量密度、循環(huán)壽命、工作溫度以及成本等多方面的綜合性能最優(yōu)，因而逐步在電動(dòng)汽車領(lǐng)域得到廣泛的用.LiNi,Co,Mn,O2(x+y+z=1)具有電化學(xué)性能穩(wěn)定、放電電壓范圍寬、放電比容量高及放電倍率性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，成為目前廣泛研究的鋰離子電池正極材料之一。

該材料具有a-NaFeO2的層狀結(jié)構(gòu)，其性能受到NiCo、Mn三種金屬元素含量的顯著影響.-般而言，提高Co元素含量有助于增加材料的有序性,Mn元素含量的增加可以起到穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)的作用,而提高元素Ni的含.量則可以獲得更高的比容量從而提高鋰離子電池的能量密度，進(jìn)而有助于延長電動(dòng)汽車的續(xù)航里程.因此,LiNioCo2Mno2O2和LiNiogCoa.Mn.1O2(以下分別簡(jiǎn)稱為NCM622和NCM811)成為了目前廣泛關(guān)注的兩種高鎳正極材料.與NCM622相比，充電至相同的截至電壓,NCM811可以脫出更多的鋰離子.以充電至4.25V為例,NCM622的比容.量一般為170mAh.g',

NCM811的比容量可高達(dá)200mAh.g',但NCM622在熱穩(wěn)定性和循環(huán)性能方面則比NCM811更優(yōu)。
Konishi等利用非原位XRD,并結(jié)合TDS-MS對(duì)比了NCM622和NCM811這兩種材料的熱穩(wěn)定性差異"。研究結(jié)果顯示，與NCM622相比,NCM811由層狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榧饩Y(jié)構(gòu)所需的加熱溫度更低，且結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程中氧氣的釋出量更大.即NCM811材料的熱穩(wěn)定性較NCM622低.Bak等則借助原位XRD技術(shù)進(jìn)一步證實(shí)了此觀點(diǎn)2.此外,Noh等以NiSO4.6H2O、CoSO。.7H2O

MnSO+.5H2O和LiOH.HO為原料，采用共沉淀法合成了NCM622和NCM811材料，并組裝成扣式電池以評(píng)估這兩種材料的循環(huán)穩(wěn)定性.結(jié)果表明，與NCM622相比,NCM811顆粒表面更易生成不利于鋰離子嵌人/脫出的尖晶石結(jié)構(gòu),導(dǎo)致NCM811材料的循環(huán)穩(wěn)定性較差本文利用單顆粒微電極技術(shù)，通過選取粒徑相近的顆粒，系統(tǒng)分析了NCM811和NCM622兩種Ni含量不同的材料在充放電性能、倍率性能、交流阻抗譜和鋰離子的固相擴(kuò)散系數(shù)等動(dòng)力學(xué)性能和參數(shù)方面的差異.結(jié)果表明,NCM811除了具有更高的可逆容量和庫侖效率之外，還在較寬的SOC范圍內(nèi)具有更好的動(dòng)力學(xué)特征，其鋰離子固相擴(kuò)散系數(shù)比NCM622可高約10倍,同時(shí)具有更低的電荷傳遞阻抗，這與更多的Ni2+和Nit金屬離子能夠降低鋰離子固相擴(kuò)散的活化能的理論預(yù)期能夠很好的吻合

較高的鋰離子固相擴(kuò)散系數(shù)和較低的電荷傳遞阻抗為NCM811顆粒帶來了更好的倍率放電性能，在進(jìn)行20C倍率放電時(shí)，NCM811的放電容量保持率仍高達(dá)80.8%以上.單顆粒微電極測(cè)量技術(shù)能夠排除導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和電極結(jié)構(gòu)等復(fù)雜工藝因素對(duì)電化學(xué)性能表征的影響,有助于加深材料本征構(gòu)效關(guān)系的理解和認(rèn)識(shí)，并進(jìn)一步尋求新的突破思路。

硅碳負(fù)極.jpg