以富镍层状氧化物为核、富锂层状氧化物为壳的异质结构作为高性能锂离子电池正极材料

锂离子电池正极材料是影响锂离子电池性能的关键因素,比容量更大、循环稳定性更好的正极材料的设计及开发成为了锂离子电池电极材料开发的关键。对于正极材料在充放电过程中出现的容量衰减,其主要原因可以归结为两点:一、电解液与正极材料之间发生不可逆的副反应;二、充放电过程中的相转变。

锰基富锂层状氧化物Li1+xMn1-x-yMyO2(x>0,M为过度金属)具有极高的比容量(理论比容量可达250 mAh/g)。但是其在电化学循环过程中会发生从层状结构到类尖晶石结构的转变,导致不可逆的电压降,从而造成容量的不可逆损失。利用传统的表面修饰和过渡金属离子掺杂等方法可以对其结构起到稳定的作用,但是不能完全抑制相转变的发生;而富镍的层状氧化物LiNi1-xMxO2(x<0.5,M为过渡金属)则是另一类引起广泛关注的正极材料,为了发挥其高容量特性,通常在工作时采用较高的截止电压(约为4.5V vs Li+/Li)。而高电压下镍离子极易和电解质发生副反应,形成很厚的电解液界面(SEI)膜,使阻抗增大,能量密度降低。

ADVS

Arumugam Manthiram教授和Jaephil Cho教授的合作团队对以上两类材料各自的特性进行了深入考察,鉴于富锂材料的电化学稳定性比较好而结构稳定性较差,与之相应的富镍材料的电化学稳定性差而结构却较为稳定,他们将两种材料结合起来,设计了一种以富镍材料为核、富锂材料为壳的核-壳结构电极材料,充分利用了核材料的结构稳定性以及壳材料的化学稳定性,展现了高比能量同时高稳定性的电化学性能。该材料以LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2为核,Li1.2Ni0.2Mn0.6O2为壳层;而为了进一步提高壳层的容量及稳定性,他们还对表面进一步进行了AlF3的活化处理。相关材料在0.3C时可以获得200 mAh/g的容量,且在循环100圈后仍然具有98%的容量保持率,高温性能测试(55 oC)显示这种核壳结构具有良好的高温稳定性和倍率性能; XRD确认该材料在充放电过程中没有出现明显的相转变,具有良好的结构稳定性。作者的研究表明,在这种核壳结构中,其复合材料的富锂表面可以显著提高表面的化学稳定性,从而减少了容量衰减,提高了材料的循环寿命。该研究成果为优化锂离子电池正极材料的性能,研发高比容量高稳定性电极材料提供了新思路。

相关论文发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201600184)上。