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4.6V高电压钴酸锂锂离子电池正极材料研讨获希望
发布时间:2019-06-27 09:55:00
要害词:动力电池锂电池

4.6V高电压钴酸锂锂离子电池正极材料研讨获希望


钴酸锂(LiCoO2)是最早商业化的锂离子电池正极材料。因为其具有很高的材料密度和电极压实密度,运用钴酸锂正极的锂离子电池具有最高的体积能量密度,于是钴酸锂是消费电子墟市运用最广泛的正极材料。跟着消费电子产品,特别是5G手机等对锂离子电池续航时间和体积大小的请求不时进步,急切需求进一步晋升电池体积能量密度。进步钴酸锂电池的充电电压可以进步电池的体积能量密度,其充电截止电压曾经从1991年最早商业化时的4.20V渐渐晋升至4.45V(vs Li+/Li),体积能量密度曾经超越700Wh/L。


目前,开辟下一代更高电压的钴酸锂材料曾经成为科研界及企业配合体恤的热门。跟着充电电压的进步,钴酸锂材料会渐渐呈现不可逆构造相变、外界面稳定性下降、平安功用下降等题目,限制了实行运用。一般研讨职员通过采用众种元素痕量掺杂的手腕对钴酸锂材料举行改性,以晋升其高电压充放电进程中的稳定性。了解差别掺杂元素的感化机制关于计划功用更佳的钴酸锂材料至关主要,然而实行上确定各痕量掺杂元素的感化机制保管挑衅。


中国科学院物理研讨所/北京凝集态物理国家研讨中心洁净能源实行室E01组博士张杰男、李庆浩,研讨员李泓和禹习谦的指点下,采用Ti、Mg、Al三种元素痕量掺杂(掺杂比例 <0.1 wt%),使得钴酸锂材料4.6 V高电压充放电进程中的轮回稳定性和倍率特征取得了极大的晋升(图1)。该团队进一步与美国布鲁克海文国家实行室、斯坦福国家加速器实行室、美国劳伦斯伯克利国家实行室、江西师范大学和湖南大学等相关研讨机构协作,应用同步辐射X射线纳米三维成像、共振非弹性X射线散射等先辈实行技能体系地研讨了Ti、Mg、Al痕量掺杂对钴酸锂材料功用晋升的感化机制,揭示了差别掺杂元素对材料功用改良的奇特感化。该研讨结果即日发外《自然-能源》上(Nature Energy,2019,DOI: 10.1038/s41560-019-0409-z),作品题为Trace doping of multiple elements enables stable battery cycling of LiCoO2 at 4.6 V。


研讨团队起首应用高区分透射电镜联合EDS\EELS外征,探究了差别掺杂元素材料颗粒外面及体相内的分布法则,结果外明,相同的材料合成条件下,Mg和Al元素更容易掺杂进入材料的晶体构造中,而Ti元素则偏向于钴酸锂颗粒外面富集。实行室原位X射线衍射结果显示,掺杂进入钴酸锂晶格的Mg、Al可以遏止4.5 V高电压充放电时呈现的构造相变,该构造相变被广泛认为是导致钴酸锂材料高电压充放电下功用衰减的主要启事之一。


随后,通过同步辐射X射线三维成像技能发明Ti钴酸锂颗粒中呈现不平均分布,Ti元素不光富集于钴酸锂颗粒外面,还会颗粒内部的晶界处富集,可认为钴酸锂颗粒内部一次颗粒之间供应精良的界面接触,从而晋升材料的倍率功用(图2)。进一步应用共振非弹性X射线散射(RIXS)技能发明富集外面的Ti元素可以有用地遏止高电压下材料外面氧离子的氧化活性,从而减缓高电压下材料与有机电解液的副反响,稳定材料的外面(图3)。着末,通过第一性原理盘算,研讨团队从表面长进一步确认了Ti元素的掺杂法则及改性原理,认为Ti元素偏向于材料外面掺杂,可以对其周边的氧原子脱锂态下的电荷分布举行调治,有用低沉其氧化活性。


该义务揭示了Ti、Mg、Al共掺杂对钴酸锂材料功用晋升的感化机制,阐清楚从晶体构造、电子构造和材料亚微米标准微观构造等差别维度材料归纳计划关于晋升材料功用的主要性,为计划高电压、高容量正极材料供应了表面依据。同时也展现了众标准、高精度的剖析外征方法关于揭示材料内在物理化学进程的主要性。该义务取得的结论关于其他电池体系电极材料计划同样具有鉴戒原理。相关义务取得科技部要点研发方案(2016YFB0100100)、基金委立异群体基金(51421002)和基金委精良青年基金(51822211)的支撑。


4.6V高电压钴酸锂锂离子电池正极材料研讨获希望

图1. Ti、Mg、Al共掺杂LiCoO2(TMA-LCO)与未掺杂LiCoO2(Bare-LCO)的半电池和全电池功用比照


图2. 同步辐射X射线三维成像技能揭示Ti、Al和Co元素LiCoO2颗粒中的空间分布


图3. 共振非弹性X射线散射(RIXS)结果外明Ti、Mg、Al掺杂LiCoO2材料充电至高电压形态时氧离子的氧化活性被遏止,使得材料具有更稳定的外面


稿件根源: 中国科学院网站
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