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亚慱体育app在线下载华体会:中科院化学所郭玉国教授AM:碳酸锂用作正极材料保护层实现电化

发布时间:2022-06-11 08:00:08  来源:亚博体育注册 作者:亚博体育手机版下载

  原标题:中科院化学所郭玉国教授AM:碳酸锂用作正极材料保护层实现电化学性能稳定提升

  1.通过CO2气氛处理在高镍正极材料表面引入一层无定形Li2CO3包覆层提升高镍正极材料的结构稳定性。

  2.热力学稳定的Li2CO3包覆层的存在可以起到隔绝空气的作用,从而实现高镍正极材料的稳定储存。

  3.Li2CO3包覆层在循环过程中能够与电解液分解产生的HF反应生成富含LiF的电解液-正极界面层,提高高镍正极材料循环过程中的界面稳定性,实现电化学性能的稳定提升。

  三元层状正极材料目前已被广泛应用于电动汽车。为了进一步提升其比容量,增加在充放电过程中起主要价态补偿作用的镍元素含量成为了必然选择。

  但是镍元素含量的提升也带来了一系列的应用问题:尖晶石相/岩盐相的不可逆产生阻碍了锂离子的嵌入与脱出,充放电过程中各向异性晶格应力导致微裂纹的产生,正极材料界面与电解液的副反应导致活性物质量损失等。这些问题都阻碍了高镍正极材料的商业化进程。

  有鉴于此,中科院化学所郭玉国教授团队采用煅烧合成过程中的气氛调节方式在高镍正极材料表面引入一层无定形Li2CO3包覆层。

  这种独特的设计不仅能够有效阻止高镍正极材料在储运过程中的空气腐蚀,还能够减少LiOH等其他有害锂残留化合物的生成,从而提高高镍正极材料稳定性。此外,Li2CO3包覆层还可以与电解液分解过程中产生的HF反应生成稳定正极-电解质界面层。

  该工作首先证明了Li2CO3包覆层的成功构建。通过透射电子显微镜明场相可以明显观察到Li2CO3包覆层的存在,同时扫描电子显微镜和X射线包覆层的引入并未破坏高镍正极材料的整体结构。

  电化学滴定结果说明Li2CO3包覆层显著减少了高镍正极材料表面的残留碱含量。这些表征共同确定了煅烧合成过程中的气氛调节方式成功在高镍正极材料表面引入了一层无定形Li2CO3包覆层。

  该工作详细探究了Li2CO3包覆高镍正极材料的表面化学组成。相较于原始高镍正极材料,包覆处理后的材料表面仅能探测出CO32-信号,说明Li2CO3包覆层的存在能够阻止高镍正极材料和空气的反应。

  飞行时间二次离子质谱结果也表明Li2CO3均匀分布于高镍正极材料表面并部分扩散至内部。而原始样品表面除了CO32-信号之外还发现了LiHCO3的存在,其分布也极其不均匀。此外,该工作还通过原子力显微镜结果证明了Li2CO3包覆层的存在能够显著降低材料表面的平均模量。

  该工作还对比了不同样品在空气中暴露后的表面结构变化。X射线光电子能谱仪溅射结果表明在空气中暴露后探测到了大量LiHCO3和Li2CO3的存在,即使加深了溅射深度,这些副产物也依然存在,说明空气对高镍正极材料的腐蚀非常严重。

  相比较而言,包覆后的材料仅探测到了极少数的由LiOH转化来的LiHCO3,证明了这种包覆设计对于界面稳定性的显著提升。

  该工作详细对比了材料包覆前后的电化学性能差异。Li2CO3包覆高镍正极材料在0.1C的测试电流,3.0-4.3V的电压范围下表现出232.4 mAh g-1的高初始容量,显著高于原始样品(218 mAh g-1),且即使在高达5C的倍率条件下仍能表达出188.6 mAh g-1的放电容量。

  同时,这一提升效果在经过空气暴露处理后表现得更加明显,有力说明了Li2CO3包覆对于高镍正极材料的界面稳定性提升。该工作还进一步进行了模拟实际应用条件下的电化学性能评估,Li2CO3包覆高镍正极材料也表现出了优异的实用化前景。

  该工作详细探究了Li2CO3包覆高镍正极材料在循环过程中的界面层变化。准原位X射线光电子能谱结果表明Li2CO3包覆可以有效消耗电解液分解过程中产生的HF,并将其转化成稳定的界面层。

  这样不仅避免了HF对正极材料的结构破坏,还生成了有利于锂离子输运的稳定界面层。该工作还通过飞行时间二次离子质谱结果证明了这一界面层中均匀的LiF分布。

  综上所述,该工作设计了一种在高镍正极材料表面可控制备无定形Li2CO3包覆层的有效策略。这种独特的设计可显著提高正极材料在储运过程及电化学循环中的界面稳定性。

  通过无定形Li2CO3包覆层将原始材料的非稳态表面转化为热力学稳定的存在,抑制了有害相LiOH的生成。此外,无定形Li2CO3包覆层还可在循环过程中与HF反应生成LiF,从而形成稳定的界面层。返回搜狐,查看更多

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