隨著電動汽車和能量存儲系統的快速發展，高壓、高容量正極材料的研發需求也日益增長。富鎳層狀鋰過渡金屬氧化物LiNixCoyMn(1-x-y)O2（NCM）因其較高的可逆容量，較低的成本和更好的熱穩定性正替代LiCoO2，成為備受關注的正極材料。Ni0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523)是一種很有前途的組合物，充電至4.6V（相對于Li/Li+）放電容量高達約200mAh/g。然而，這種高截止電位導致循環時容量降低，歸因于電解液分解和通過轉變成例如尖晶石/巖鹽相的表面結構的惡化。此外，電極材料沿著晶界形成晶間裂紋是由于在循環過程中初級顆粒的體積變化引起的，這加速了循環時的容量衰減。因此，在高壓運行中，抑制晶間裂紋形成對于NCM523正極是重要的。為了抑制晶間裂紋的形成，用金屬氧化物如Al2O3和ZrO2等進行表面涂覆對于抑制NCM的容量衰減是有效的，涂料層避免了NCM顆粒與電解質的直接接觸，并抑制在顆粒表面不利的不可逆反應。

【成果簡介】

最近，日本同志社大學MinoruInaba教授報道了通過反溶劑沉淀法將硅酸鋰摻入Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2前體顆粒中以制備添加硅酸鋰的Ni0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM)顆粒（LS-NCM），在NCM二次顆粒的晶界處發現硅酸鋰，這顯著改善了高壓（3.0-4.6V）下的容量保持率。橫截面SEM圖像顯示在循環后在無硅酸鋰的NCM顆粒內部嚴重形成裂縫，而對于添加硅酸鋰的NCM，裂縫的形成顯著受到抑制。這些結果表明，晶界處的硅酸鋰增強了初級顆粒之間的界面粘附，從而改善了循環穩定性。相關研究成果以“Communication-EnhancementofStructuralStabilityofLiNi0.5Co0.2Mn0.3O2CathodeParticlesagainstHigh-VoltageCyclingbyLithiumSilicateAddition”為題發表在JournalofTheElectrochemicalSociety上。

【核心內容】

Figure1.a）NCM和LS-NCM的X射線衍射圖；b-c）NCM（b）和LS-NCM（c）的SEM圖像。

圖1a顯示了NCM和LS-NCM樣品的XRD圖譜。每個樣品的XRD圖案是典型的Ni0.5Co0.2Mn0.3O2層狀結構。通常，(003)/(104)的強度比用于估計陽離子混合程度。LS-NCM的比例約為1.4，幾乎等于NCM的比例，表明兩種樣品的陽離子排序良好。此外，由于NCM和LS-NCM的XRD圖譜幾乎相同，因此添加硅酸鋰不會影響NCM的結晶度。圖1b和1c分別顯示NCM和LS-NCM粉末樣品的SEM圖像，由大約100微米的初級顆粒組成。

Figure2.a,b）LS-NCM的橫截面TEM圖像；c-e）區域1（c），區域2（d）和區域3（e）中Si和Mn的EDX線輪廓圖，圖像（b）是（a）的紅色矩形部分的放大圖。

圖2顯示了LS-NCM顆粒的橫截面TEM圖像和Si和Mn的線輪廓圖。在初始顆粒內部未觀察到Si元素，但是在循環后的整個內部，顆粒位于初級顆粒的晶界處。

Figure3.以0.1C的倍率在3.0V和4.6V之間的充放電，a-d）NCM（a），LS-NCM（b）的充放電曲線，放電容量的變化（c）和庫侖效率（d）。

圖3a和3b分別顯示了NCM和LS-NCM樣品在0.1C下的充電-放電曲線，當充電到4.6V，即使少量硅酸鋰存在于二次顆粒的晶界，也不會抑制鋰離子的傳輸。圖3c和3d分別顯示了比容量和庫侖效率的變化，初始幾個循環后NCM和LS-NCM的比容量略有增加，然后NCM和LS-NCM的最大比容量分別達到188.1和193.5mAh/g，隨后，NCM的比容量下降得比LS-NCM快，主要是由于NCM中裂縫的產生，電解質滲透到裂縫中，電解質在裂縫內分解，分解產物逐漸分離出初始顆粒。

Figure4.在30℃下，0.1C的倍率在3.0V和4.6V之間的充放電，循環100次后，a,d）NCM和LS-NCM顆粒的橫截面SEM圖像；b,e）NCM和LS-NCM顆粒的EDXF映射；c,f）以及NCM和LS-NCM顆粒的疊加圖像。

圖4顯示了100次循環后NCM和LS-NCM的橫截面SEM圖像和EDXF映射，可以看出，在100次循環后在NCM顆粒中產生沿晶界的晶間裂紋，而在LS-NCM中不存在嚴重裂紋。在EDX映射中，沿著NCM顆粒內部的裂縫中檢測到電解質分解產物的F元素，另一方面，在LS-NCM顆粒內部未檢測到F元素。這些事實清楚表明，在晶界處存在硅酸鋰有效地改善了初始顆粒之間的界面粘附性并改善了循環穩定性。

【結論展望】

本文制備了添加硅酸鋰的NCM523顆粒，并研究其作為LIB中正極的充放電特性。LS-NCM成功改善了高壓（3.0-4.6V）條件下的容量保持率。不含硅酸鋰的NCM在循環后沿二次顆粒內的晶界具有許多裂縫，而LS-NCM的裂紋形成明顯受到抑制。TEM-EDX分析表明在二級顆粒內部的初始顆粒的晶界處存在Si元素。