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盘点:锂电池三元材料10大研究进展

时间:2018-03-13 05:46来源:佚名 作者:网络采集 点击:

镍钴锰具有高比容量、长循环寿命、低毒和廉价的特点,此外,三种元素之间具有良好的协同效应,因此受到了广泛的应用。用于锂电池正极材料,在氧化还原储能中,镍是主要的成分,如何通过提高材料中镍的含量以有效提高材料的比容量,是目前研究的热点之一。

1 高镍三元材料

一般来说,高镍的三元正极材料是指材料中镍的摩尔分数大于0.6,这样的三元材料具有高比容量和低成本的特点,但也存在容量保持率低,热稳定性能差等缺陷。

通过制备工艺的改进可以有效改善材料性能。颗粒的微纳尺寸以及形貌结构,在很大程度上决定着高镍三元正极材料的性能。因此目前主要的制备方法是将将不同原料均匀分散,通过不同生长机制,得到比表面积大的纳米球形颗粒。

在众多制备方法中,共沉淀法与高温固相法结合是目前的主流方法,首先采用共沉淀法,得到原料混合均匀、材料粒径均一的前驱体,然后经过高温煅烧得到表面形貌规整、过程易于控制的三元材料,这是目前工业生产的主要方法。

喷雾干燥法较共沉淀法过程简单,制备速度快,所得材料形貌并不亚于共沉淀法,有进一步研究的潜力。高镍三元正极材料的阳离子混排和充放电过程中相变等缺点,通过掺杂改性和包覆改性能够有效得到改善。在抑制副反应发生和稳定结构的同时,提高导电性、循环性能、倍率性能、存储性能以及高温高压性能,仍将是研究的热点。

2 富锂三元材料

下图为富锂三元正极材料xLi2MnO3˙(1-x)LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2(0.1≤x≤0.5)的结构示意图,由于其特殊的结构,可脱出更多的锂,具有宽电压窗口和高比容的优势,近年来被研究者所青睐。

这种材料之所有具有高电压的特点,而且首次充放电机理与后续充电不同:首次充电会引起结构的变化,这种变化反映在充电曲线上有两个以4.4V为分界的不同的平台,第二次充电过程中,其充电曲线不同于第一次的曲线,由于第一次充电过程中Li2O从层状结构的Li2MnO3中不可逆的脱出,在4.5V左右的平台消失。

采用固相法、溶胶凝胶法、水热法、喷雾热解法和共沉淀法可以制备出不同结构的富锂三元正极材料,其中,使用较多的是共沉淀法,且每一种方法均有其各自的优缺点。

富锂三元材料展现了良好的应用前景,是下一代高容量锂离子电池所需的关键材料之一,但对于大规模应用。

该材料未来的研究方向主要为以下几个方面:

(1)对脱嵌锂机理的认识不足,无法解释材料库伦效率将低、材料性能差异大等现象;

(2)掺杂元素研究不够充分,较单一;

(3)由于在高电压下正极材料受到电解液的侵蚀,造成差的循环稳定性;

(4)商业化应用较少,在安全性能方面的考察不够全面。