高鎳層狀材料的研究對鋰電池正極材料具有重要意義

來源：存能電氣  日期：2020-01-08 16:43  瀏覽量：次

高鎳層狀材料的研究對鋰電池正極材料具有重要意義。鋰電池已廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備，并逐步向電動交通工具、高效儲能電站等拓展。目前相比于已開始商業(yè)化的高容量的Si/C負(fù)極材料，正極材料成為了限制鋰電池性能提升的關(guān)鍵。高鎳層狀氧化物由于高的質(zhì)量/體積能量密度、優(yōu)異的倍率性能及較低的成本優(yōu)勢等，被認(rèn)為是有希望的下一代高能量鋰電池正極材料。

高鎳層狀材料的研究對鋰電池正極材料具有重要意義

鋰電池具有多種正極材料，層狀結(jié)構(gòu)的LiCoO2是當(dāng)前主要的商品化鋰電池正極材料，其綜合性能優(yōu)異但成本較高，Co存在毒性，制約了其更大規(guī)模應(yīng)用。高鎳正極材料(Ni≥80％)相比于傳統(tǒng)的層狀LiCoO2具有高比容量、低成本、長壽命等優(yōu)點，是目前國內(nèi)外的研究熱點，已逐漸進(jìn)入商品化應(yīng)用階段，被認(rèn)為是極具應(yīng)用前景的鋰離子動力電池正極材料。

層狀結(jié)構(gòu)NCM中鎳是主要的氧化還原反應(yīng)元素，因此提高鎳含量可以有效提高NCM的比容量高鎳含量NCM材料具有高比容量和低成本的特點，但也存在容量保持率低，熱穩(wěn)定性能差等缺陷，使其商業(yè)化難度大。高鎳NCM材料的性能和結(jié)構(gòu)與制備工藝緊密相關(guān)，不同的制備過程與條件直接影響產(chǎn)品的最終結(jié)構(gòu)和性能。

高鎳NCM正極材料其晶體電子結(jié)構(gòu)特征以及鎳含量變化對、制備方法和摻雜和包覆改性對高鎳材料性能有重要影響。然而高容量和高循環(huán)性能之間難以妥協(xié)，適當(dāng)降低材料和充放電容量以換取更長循環(huán)壽命是工業(yè)企業(yè)值得考慮的方案。

我國在高鎳鋰電層狀正極材料領(lǐng)域新突破

與目前商業(yè)化的鈷酸鋰、磷酸鐵鋰和三元鋰電池材料相比，高鎳層狀材料具有容量高和成本低的優(yōu)勢，是下一代動力電池正極材料的首選之一。然而其較差的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能成為制約其商業(yè)化應(yīng)用的主要因素，這和高鎳正極材料的表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性有很大的關(guān)系。

通過鈷元素的摻雜和煅燒工藝(煅燒溫度、煅燒氣氛和保溫時間)的優(yōu)化，大大降低了高鎳層狀氧化物熱處理過程中Li元素的流失和結(jié)構(gòu)表面NiO型熔巖相的形成，獲得了具有高層狀結(jié)構(gòu)有序度的LiNi0.8Co0.2O2，其Ni2+/Li+陽離子混排率低于2%。

在高鎳正極材料的表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性方面的研究，我國取得了新進(jìn)展。近日由北京大學(xué)深圳研究生運(yùn)用原位同步輻射X-射線衍射譜、X-射線吸收譜(XPS)、掃描透射顯微鏡-電子能量損失譜結(jié)合電化學(xué)表征，對鋰電池高鎳層狀氧化物材料在制備過程中的表面重構(gòu)現(xiàn)象及相關(guān)機(jī)理進(jìn)行了深入研究，

目前高鎳三元材料是鋰電池材料發(fā)展的主流方向之一。研究高鎳材料的表面結(jié)構(gòu)，找出影響其電化學(xué)性能的結(jié)構(gòu)起源和機(jī)理，對于提升高鎳材料的電化學(xué)性能，加快其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，具有十分重要的意義。

高鎳NCM正極材料性能很大程度上取決于顆粒的尺寸和形貌，因此制備方法大多集中于將不同原料均勻分散，得到小尺寸、比表面積大的球形顆粒。高鎳NCM正極材料存在陽離子混排和充放電過程中相變等缺點，摻雜改性和包覆改性能夠有效改善這些問題，在抑制副反應(yīng)發(fā)生和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的同時，提高導(dǎo)電性、循環(huán)性能、倍率性能、存儲性能以及高溫高壓性能，仍將是研究的熱點。