中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：鋰離子電池從誕生到現(xiàn)在，能量密度已經(jīng)得到了極大的提升，從最初的幾十瓦時(shí)/公斤，發(fā)展到如今的200Wh/kg以上，鋰離子電池的每一次能量密度的提升都離不開材料技術(shù)進(jìn)步的支持。
而今天隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展和電動(dòng)汽車的迅速普及，對(duì)鋰離子電池的能量密度提出了更高的要求，傳統(tǒng)的LiCoO2已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)在高比能鋰離子電池的需求，取而代之的是剛剛興起的三元材料NMC和NCA材料。
三元材料特別是NMC材料容量可達(dá)200mAh/g左右，遠(yuǎn)高于LiCoO2材料，是一種十分具有潛力的新一代鋰離子電池正極材料，但是鋰離子電池的技術(shù)不斷發(fā)展，三元材料NMC也無法滿足進(jìn)一步提升鋰離子電池能量密度的需求，因此人們提出了具有固溶體結(jié)構(gòu)的富鋰材料。
相比于三元材料，富鋰材料的比容量可以達(dá)到300mAh/g，容量提升超過50%，電壓可達(dá)4.8V，遠(yuǎn)高于NMC材料，同時(shí)富鋰材料采用了較多的成本較低的Mn元素，使得富鋰材料的成本遠(yuǎn)低于NMC材料和NCA材料，是一種具有巨大潛力的下一代正極材料，可以幫助鋰離子電池向著比能量300Wh/kg發(fā)起挑戰(zhàn)。
雖然富鋰材料具有這么多優(yōu)點(diǎn)，但是富鋰材料距離實(shí)際應(yīng)用還有兩大障礙需要克服，首先是富鋰材料的循環(huán)性能較差，隨著循環(huán)的進(jìn)行容量快速衰降，循環(huán)壽命一般不超過300次，其次在循環(huán)過程中，富鋰材料的放電平臺(tái)電壓會(huì)逐漸下降，造成富鋰材料的能量密度下降。
相關(guān)的研究顯示，造成這一現(xiàn)象的主要原因是富鋰材料在較高的電勢(shì)下，界面不穩(wěn)定造成電解液氧化分解和過渡金屬元素溶解等問題，以及在嵌鋰和脫鋰的過程中富鋰材料發(fā)生不可逆的相變?cè)斐伞?
表面改性處理被認(rèn)為是最為有效的處理方法，通過有效的表面包覆，可以顯著的提高富鋰材料的電解液界面的穩(wěn)定性，抑制副反應(yīng)的發(fā)生，改善循環(huán)性能。例如AlF3、Al2O3等都可以用于富鋰材料的表面改性處理，但是傳統(tǒng)的表面包覆材料雖然能夠提高富鋰材料的循環(huán)性能，卻會(huì)造成可逆容量降低和倍率性能下降。
為了解決上述表面包覆材料存在的問題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的Cheng Chen提出了一種氧缺位包覆技術(shù)，例如他們將氧缺位納米SnO2材料涂包覆在富鋰材料Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2顆粒的表面，顯著的提高了富鋰材料的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，并且首次發(fā)現(xiàn)了SnO2的氧缺位能夠提高富鋰材料的初始容量，為富鋰材料的表面改性處理提供了一個(gè)新的思路。
實(shí)驗(yàn)中納米SnO2的添加量為1%左右，納米SnO2的平均粒徑在4.35nm左右，包覆層的厚度在4-8nm之間。在電化學(xué)測(cè)試中由于O損失，導(dǎo)致未包覆的富鋰材料的首次放電容量僅為226.4mAh/g，而納米SnO2包覆的富鋰材料的首次放電容量則為264.6mAh/g，提高了38.2mAh/g。
倍率測(cè)試也發(fā)現(xiàn)，納米SnO2包覆也能夠有效的提升富鋰材料的倍率性能。在2.0-4.8V之間，1C的倍率下，環(huán)境溫度為25℃進(jìn)行循環(huán)性能測(cè)試，循環(huán)200次，沒有經(jīng)過包覆的富鋰材料容量為144.8mAh/g，容量保持率為78.5%，而經(jīng)過包覆處理的富鋰材料剩余容量則為179.2mAh/g，容量保持率為89.9%。
納米SnO2包覆對(duì)高溫循環(huán)的提升更加明顯，也顯著的抑制了富鋰材料的電壓衰降，這主要得益于納米SnO2包覆層顯著的提高了富鋰材料的界面穩(wěn)定性，減少了副反應(yīng)的發(fā)生。
納米SnO2包覆層，不僅顯著的改善了富鋰材料的循環(huán)性能和倍率性能，抑制了在循環(huán)過程中的電壓衰降，還通過減少O損失，提升了富鋰材料的首次放電容量，為富鋰材料的表面包覆處理提供了一個(gè)新的思路。
參考文獻(xiàn)
Oxygen vacancies in SnO2 surface coating to enhance the activation of layered Li-Rich Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2 cathode material for Li-ion batteries, Journal of Power Source, 331(2016), Cheng Chen, et. al
