鉅大鋰電 | 點擊量：0次 | 2018年09月14日
關于動力電池NCM材料上Al2O3 和LiAlO2包覆層的作用
隨著對高能量密度和高功率密度鋰離子電池需求的不斷增長，高性能正極材料在電動汽車和混合動力汽車中的應用受到了極大的關注。在各種正極材料中，LiNi1-x-yCoxMnyO2材料表現(xiàn)出了多個優(yōu)點，如低成本、高容量、良好的循環(huán)穩(wěn)定性和安全性能。在這一體系中，富鎳的層狀LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2（NCM）有著優(yōu)異的極小溫度依賴性的鋰離子擴散能力，是一種高電位正極材料。
近日，天津師范大學孫學良教授課題組在NanoEnergy發(fā)表了題為“SignificantlyImprovingCyclingPerformanceofCathodesinLithiumIonBatteries:TheEffectofAl2O3andLiAlO2CoatingsonLiNi0.6Co0.2Mn0.2O2”的研究論文，成功設計出了一種NCM正極的超薄鋰鋁氧化物（LiAlO2）涂層，與Al2O3相比，它能明顯提升NCM在高截止電壓4.5/4.7V下的性能。研究表明，包覆有LiAlO2的NCM能在每次循環(huán)衰減0.078%、循環(huán)350次后，保持超149mAhg-1的可逆容量。而且LiAlO2涂覆的NCM表現(xiàn)出了比Al2O3涂覆的NCM更高的倍率性能。
(i)NCM,(ii)Al-O-1,(iii)Li-Al-O-1,(iv)Al-O-4,(v)Li-Al-O-4,(vi)Al-O-6,(vii)Li-Al-O-6
注：文中將摩爾濃度分別為0.125,0.25,0.60,1.25,2.5和12.5mol%LiAlO2所涂覆的正極材料標記為Li-Al-O-1，2，3，4，5，6；同理，Al-O-1,2,3,4，5，6分別代表不同摩爾濃度的Al2O3所涂覆的正極材料。
圖2Al-O-4和Li-Al-O-4的XPS圖譜及擬合結果
（a）原始的XPS測量圖譜；（b）鎳的圖譜；（c）鈷的圖譜；（d）錳的圖譜；（e）鋰的圖譜；（f）鋁的圖譜
圖3SEM圖像
(a)NCM，（b）Al-O-2,(c)Li-Al-O-2,(d)Al-O-4,(e)Li-Al-O-4,(f)Al-O-5,(g)Li-Al-O-5,(h)Al-O-6,(i)Li-Al-O-6
圖4Al-O-4和Li-Al-O-4的EDS能譜圖比較
圖5Al-O-4和Li-Al-O-4的HRTEM圖像
（a）Al-O-4，（b）Li-Al-O-4
鋰離子電池正極循環(huán)性能的重要提升–LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2材料上Al2O3和LiAlO2包覆層的作用
（a）NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的初始充放電曲線；
（b,c,d）在0.1mVs-1的掃描速率下的電流電壓曲線比較。
圖7電化學性能測試
（a,b,c）NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的恒流放電曲線；
（d）NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的電化學極化電壓曲線。
圖8電化學性能測試
（a）電壓范圍為2.7–4.5Vvs.Li/Li+，在0.2C(50mAg-1)速率的條件下NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的循環(huán)性能；
（b）電壓范圍為2.7–4.5Vvs.Li/Li+，25-750mAg-1的范圍，不同電流密度下NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的倍率；
（c）電壓范圍為2.7–4.7Vvs.Li/Li+，電流密度為0.2C，NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的循環(huán)性能；
（d）電壓范圍為2.7–4.7Vvs.Li/Li+，25-750mAg-1的范圍，不同電流密度下NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的倍率；
（e）2.7–4.5Vvs.Li/Li+的電化學窗口，NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的循環(huán)性能的比較。
圖9CV曲線
（a,b,c）NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2在不同掃描速率下的電流電壓曲線；
（d）電流極值ip和掃描速率的平方根v1/2的關系。
圖10NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的Nyquist圖及擬合數(shù)據(jù)
（a）第1次循環(huán)；
（b）第30次循環(huán)；
（c）等效電路圖
本項研究成功設計了增強離子傳導性的超薄鋁酸鋰薄膜，通過溶膠凝膠過程涂敷在NCM正極材料上，并以非離子導電Al2O3界面涂層為對比，對其性能進行了研究。這兩類涂層都有一定的局限性，如結構不穩(wěn)定、金屬離子的溶解和電解質(zhì)的分解。然而，和Al2O3涂層相比，可控的超薄LiAlO2涂層在提升NCM正極材料的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能方面更加有效。這要歸因于平均放電電壓的穩(wěn)定，特別是在高截止電壓和電流密度下。因此，這項研究表明了鋰離子導電薄膜的利用為構建高性能正極材料提供了機會。
