利用海藻酸钠的“蛋壳”结构合成具有超低阳离子混排的富镍三元正极材料

advs层状结构的Li(NixCoyMnz)O2三元材料,具有比容量高、结构和热稳定性好等特点,被认为是最具应用前景的锂离子电池正极材料。尤其富Ni三元氧化物Li(NixCoyMnz)O2 (x ≥ 0.5),因具有更高的比容量成为近年来研究的热点。然而Ni与Li的阳离子混排问题导致了该材料循环稳定性差,倍率性能低。传统方法在通过控制锂化温度和锂与过度金属的比例来抑制阳离子混排的同时,又会导致材料表面锂过剩,从而限制了Li离子扩散并降低了循环稳定性。

青岛大学杨东江教授和中国科学院理化技术研究所的张铁锐研究员针对这一问题,利用绿色环保的海藻纤维为模板,制备了低阳离子混排的Li(NixCoyMnz)O2富Ni多层空心纤维材料。海藻酸分子中的四个α-L-古罗糖醛酸分子链分别与Ni、Co、Mn等离子交联得到孤立的“蛋盒”结构,而β-L-古罗糖醛酸分子链与Li离子结合,可以有效控制阳离子混排。经研究发现,在Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2多壳纤维中,阳离子混排低至0.0485。相比传统的富Ni三元正极材料,Li(NixCoyMnz)O2富Ni多层空心纤维表现出优异的电化学性能:当x=0.8,在20 mA g-1的电流密度下,首次放电比容量达到229.9 mAh g-1,100 mA g-1电流密度下循环300圈后,容量保持率在84.36 %。在2 A g-1的高电流密度下,放电容量达到172.7 mAh g-1。该优异的性能归因于低的阳离子混排缺陷和多层空心纤维的导电网络。相关论文在线发表在Adv. Sci.(DOI:10.1002/advs.201600262)上。