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探究锂离子电池钴元素作用机理助力无钴富镍电池开发

返回列表来源:柏艾斯 发布日期:2021-04-06 16:25:28浏览:-查看手机网址
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钴(Co)元素是目前锂离子电池正极材料的关键组成成分,但由于其属于稀有元素,价格昂贵,且供应情况和价格深受地缘政治影响,为此发展少Co甚至无Co电池材料成为业界关注的焦点。然而,由于科学界目前对Co元素对于正极材料容量和结构稳定性的影响作用机制认识不足,以及在实践中缺乏有效的替代元素,使得发展少Co甚至无Co电极材料进展缓慢。

美国阿贡国家实验室Khalil Amine教授课题组牵头的国际联合研究团队设计了富Co、以及锰(Mn)元素取代的无Co正极材料,开展了系统对比研究,揭示了先前研究工作未发现的Co元素对电极容量以及结构稳定性影响作用机制,将对Co元素的作用机制理论认识向前推进了重要一步。为了探究Co元素在影响正极容量及其结构稳定性方面的作用,研究人员特地设计合成了三种电极材料,包括富Co元素的LiNi0.6Co0.4O2、无Co的LiNi0.6Mn0.4O2,以及商用的LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2。高能X射线原位表征显示,Co能够有效地减少Li和Ni发生混排,抑制Li和Ni无序排布。而Mn离子替代的少Co正极材料LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2中Li和Ni排布的无序性增加了4%;而完全Mn离子替代无Co的正极材料LiNi0.6Mn0.4O2无序度进一步增大,增加了7%。上述结果表明了Co有助于电极材料层状有序结构的形成。进一步电化学性能表征显示,Co含量高的电极电池容量大一些,但其循环稳定性反而差一些,其中完全Mn替代的无Co电极材料循环稳定性最佳。原位同步辐射、球差电镜等表征揭示,Co的存在加重电极颗粒裂纹的产生,使得形貌的稳定性下降;Co在高电压下还会引发结构失氧,以及过渡金属的迁移,对电极结构稳定性和电池电化学性能造成不利影响。相反,Mn元素替代Co可以较好地缓解结构和形貌稳定性差的问题,并且得到更好的高电压性能。基于上述新发现的机理,研究人员提出了具有发展潜力的无Co新组分的电极材料LiNiαMnβXγO2(X为单一或多种元素掺杂),为设计开发低成本高性能的正极材料指明新路径。

图1 富钴和无钴正极结构演化机制

该项研究利用先进的微观表征技术揭示了钴(Co)元素对锂离子电池电极容量和结构的影响和作用机制,即Co能够有效地减少Li和Ni排布的无序性,在高电位下Co比Ni更具破坏性,是结构不稳定和容量衰减的潜在诱因;而Mn替代则能够实现高压下的稳定运行。为设计开发高性能高稳定性的低成本无Co正极材料积累了关键理论知识,对电池行业未来发展具有重要的指导意义。相关研究成果发表在《Nature Energy》。


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