Energy Technology: 用膨胀石墨提高LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2的电化学性能

作为电动车和便携式电子产品的一种极具竞争力的动力源,锂离子电池得到了大量的研究和应用,但目前仍面临着循环稳定性、倍率性能和安全性等方面的挑战。与此同时,新能源的可持续发展提高了对动力电池容量和安全性的要求,所以开发性能优异的能源材料迫在眉睫。作为锂电池的一个主要组成部分,阴极材料对电池的电化学性能、安全性和使用寿命有着举足轻重的影响。在众多的阴极材料中,三元材料Li(Ni-Co-Mn)O2 (NCM)通过Ni、Co和Mn的协同作用,兼有高容量、高能量密度和较好热稳定性等优点,但是NCM仍存在LiNiO2、LiCoO2、LiMnO2的固有缺陷,有库仑效率低、循环性能差、高温适应性差等缺点。为了提高NCM的性能,人们常采用掺杂、改性、包覆、复合等方法。另外,晶体结构对NCM的性能影响至关重要。

针对NCM存在的上述问题,四川大学化学工程学院王贵欣课题组提出了一种以膨胀石墨(EG)的石墨烯层间为微尺度反应空间、将反应前驱体通过水热处理插入到层间、原位形成石墨烯/活性物质/石墨烯材料的新方法,经焙烧后得到的LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622)具有独特的孔结构和优异的电化学性能。采用多种方法对样品进行了深入而细致的研究,探讨了EG提高NCM622性能的可能机制。

水热处理使得NCM622的前驱体混合物(Ni0.6Co0.2Mn0.2)(OH)2和LiOH·H2O进入EG层间的微尺度空间,利用前驱体反应产生的体积变化将石墨烯层间距撑大,原位形成石墨烯/活性物质/石墨烯材料,夹在两边的石墨烯利用限域效应能有效的在焙烧过程中限制晶粒的生长,所得到的一次颗粒粒径比传统固相方法得到的材料NCM622 (P)约小22%。同时,调控焙烧过程的工艺条件,使部分石墨烯包覆在产物颗粒表面。电化学测试结果表明EG修饰改善了NCM622的界面行为、强化了Li+的传递过程。结合电化学和物理性能表征结果,EG参与了从材料合成到电极反应的整个过程,并对NCM622在不同温度下的电化学性能有显著的提高。扣式电池测试结果表明:与传统固相法合成的NCM622相比,添加6.6wt.%膨胀石墨经水热处理得到的NCM622 (PEG6.6%)具有更高的电化学反应活性、更好的循环稳定性和界面行为、更低的电荷转移阻抗,将25°C时1C和4C的P放电比容量分别提高了12.2%和23.9%,将60°C时1C循环50次后的库仑效率提高了43.5%。

该方法利用EG独特的石墨层状结构,使前驱体在石墨层间反应并将石墨层间距撑大,原位形成石墨烯/活性物质/石墨烯的独特结构,从材料合成到电化学性能都发挥了膨胀石墨的积极作用,为提高能源材料的性能开辟了一条新的途径,有望促进高性能和高安全性锂离子电池的发展。相关结果以“Enhanced Electrochemical Performance of LiNi0.60.2Mn0.2O2 by Expanded Graphite ”为题发表在Energy Technology(DOI:10.1002/ente.201900614)上。