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            鋰電池正極材料加了氧化鋯后,性能大幅度上漲

            鋰電中國瀏覽量:742時間:2021-07-31 09:37:38

            近幾年,納米氧化鋯作為添加劑被用于三元材料(即鎳鈷錳酸鋰Li(NiCoMn)O2),鈷酸鋰(LiCoO2),錳酸鋰(LiMn2O4)等鋰電池正極材料,可顯著提高電池的循環性能,倍率性能等,受到產學研各方面的重視。我們以鎳鈷錳酸鋰(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2)和LiNi0.9Mn0.1O2正極材料為例,來聊一聊納米氧化鋯對正極材料性能的影響。

            對結構的影響

            通過對LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2摻雜ZrO2發現(下圖),是在不同摻雜ZrO2量下合成的目標正極材料的XRD圖譜,在不同摻雜量下各個材料的XRD特征峰大致相同,經過Jade分析后屬于六方晶系的α-NaFeO2型的層狀結構,沒有其它的雜峰,說明ZrO2摻雜后的材料沒有影響到原始材料的整體結構。

            不同ZrO2摻雜量下Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)1-xZrxO2正極材料的XRD圖譜

            對形貌的影響

            隨著Zr摻雜量的增加,材料的一次顆粒由最初200~400nm大小的規則塊狀顆粒逐漸變為大小為100~200nm、聚集致密的顆粒,由一次顆粒團聚而成的大顆粒僅有1~2μm,且摻雜后的材料一次顆粒都開始從球體上脫落,顆粒的球形度都不如未摻雜的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料。顆粒尺寸越小,Li+的擴散路徑越短,越有利于Li+在層狀結構中的脫嵌,但是在一定程度上摻雜后的材料也破壞了類球形的形貌。

            對電化學性能的影響

            經研究發現,ZrO2摻雜后的材料放電比容量都明顯高于原始的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料,這可能與上面提到的ZrO2摻雜后材料的粒徑變小相關,顆粒尺寸變小后在充放電過程中材料的脫嵌更加容易,所以摻雜后材料的放電比容量上升。隨著充放電的進行,一定量的摻雜離子Zr4+還可能遷移到電極表面并形成固溶體,防止了由于充放電期間各向異性結構變化引起的結構坍塌,同時固溶體還充當保護涂層防止了鈷溶解到電解質中,因此,材料結構在循環過程的相變期間變得非常穩定,循環穩定性增強。

            LiNi0.9Mn0.1O2正極材料

            呂慶文等對LiNi0.9Mn0.1O2正極材料的研究發現,少量ZrO2摻雜不但不會改變LiNi0.9Mn0.1O2正極材料α-NaFeO2晶型結構,反而能降低材料內部陽離子混排程度,使材料晶型更加完整,提升材料結構穩定性。摻雜ZrO2對材料放電比容量并沒有多大影響,但是能改善材料的循環穩定性。

            ZrO2摻雜可以降低材料內阻,這可能是由于ZrO2摻雜降低了材料內部副反應,提升了Li+脫/嵌速率。而分析放電深度的曲線可知,材料的內阻也隨著放電深度的增大而增大,放電越完全,阻值增加越大,這可能是由于隨著放電深度的增加對材料結構破壞比較大,造成晶體結構發生變化,阻值急劇變大。

            參考來源:

            [1]呂慶文等.LiNi0.9Mn0.1O2正極材料摻雜ZrO2改性研究

            [2]王輝.鋰離子電池高鎳三元正極材料的合LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2成及改性研究

            來源:
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