深圳大學Journal?of Power Sources:噴霧干燥法制備液態聚丙烯腈摻雜的LiNi0.8Co0.15Al0.05O2用作鋰離子電極材料

Alisa 5年前 (2019-02-18) 3219瀏覽

【引言】

隨著電動汽車的日漸普及，對高容量鋰離子電池的需求越來越大。LiNiO2是傳統的鋰離子電池正極材料，但其容量低、循環性能差，需要摻雜一定比例的Co或Al以提升其熱力學穩定性和電化學性能。相對而言，Co的使用更為廣泛，很多正極材料都包含Ni和Co，如LiNi0.8Co0.10Mn0.1O2（NCM）、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2（NCA）、和LixNi1-yMyO2?(1-y>0.6,?M=Co, Mn, Al, Mg)等。這些正極材料由于富Ni而具有較高的容量和能量密度，同時具有價格低廉、環境友好等優點，因此受到廣泛關注。其中，LiNi0.8Co0.15Al0.05O2（NCA）已成功實現了商業化應用，其容量高于200 mA h g?1。本課題組在前期研究中也獲得了類石墨烯包覆[Li0.1Ni0.45Mn0.45]O2正極材料，容量高達210 mA h g?1。

盡管NCA作為正極材料已經得到了一定的應用，但仍存在以下缺點：（1）生產制備工藝需要進一步優化。目前工業上制備NCA主要用兩步法，包括金屬鹽的共沉積和鋰源的添加。由于不同金屬離子的溶度積（Ksp）差異較大，因此難以制備得到均勻的前驅物；另一方面，在共沉淀時需大量使用酸、堿溶液，會帶來嚴重的環境問題；（2）材料的循環穩定性需進一步加強。由于Li+的半徑（0.76??）與Ni2+（0.69 ?）相近，因此NCA正極材料在結晶和充放電過程中易形成陽離子混排，從而影響材料循環的穩定性。

【成果介紹】

最近，深圳大學劉劍洪課題組開發了一種新穎簡便的噴霧干燥法制備液態聚丙烯腈（liquid polyacrylonitrile，LPAN）摻雜的LiNi0.8Co0.15Al0.05O2（LPAN@NCA）用作鋰離子電池材料。該材料具有多孔球狀結構，初次放電比容量在0.1 C倍率時達到227.9 mA h g?1，比未摻雜LPAN的NCA高出26.6%。LPAN@NCA在循環200圈后容量保持率可達93.59%，并且循環后材料的形貌保持不變。X射線衍射分析表明，摻雜LPAN可以有效減少Ni2+占據Li+位置的混排至2.72%，同時提升Li+的遷移率。

因此，噴霧干燥法是一種簡單、有效的材料制備方法，可以實現大規模工業化生產。制備得到的LPAN@NCA具有高比容量、優異的倍率性能以及出色的循環穩定性，具有廣闊的應用前景。

該成果以“Enhancing the electrochemical performance of LiNi0.8Co0.15Al0.05O2?by a?facile doping method: Spray-drying doping with liquid polyacrylonitrile”為題發表在期刊Journal of Power Sources上，第一作者為深圳大學化學與環境工程學院碩士研究生桂紹智，共同通訊作者為深圳大學化學與環境工程學院劉劍洪教授和卓海濤特聘副研究員。

【圖文導讀】

圖1

（a）不同LPAN含量前驅體的熱重曲線和（b）不同LPAN含量的樣品的XRD譜。

圖2 不同LPAN含量的樣品的XRD rietveld精修譜圖

a)?NCA-0; b) NCA-15; c) NCA-20; d) NCA-25.

圖3

LPAN含量為（a-c）0和（d-f）20%的樣品的SEM圖；含20% LPAN 樣品的（g）EDS和（h-i）TEM圖。

圖4 不同LPAN含量的樣品的BET比表面以及孔徑分布圖。

圖5

（a）LPAN含量為0和20%的樣品的全譜; （b）LPAN含量為20%的樣品的各元素相對深度以及所有樣品的（c）Ni2p, （d）C1s，（e）O1s和（f）Li 1s窄譜圖

圖6

（a）室溫下0.1C倍率?(180 mA h g?1)的循環穩定性；（b-c）0.1C倍率條件下首次和200次循環后的充放電曲線圖；（d）室溫下不同電流比率的倍率性能；（e, f）LPAN含量為0和20%的樣品在不同電流倍率下的初次充放電曲線。

圖7

LPAN含量為（a）0和（b）20%的樣品在200圈循環后的SEM圖

圖8所有材料電極的EIS結果

（a-b）材料在循環之前和200圈循環之后的阻抗圖譜;c）Warburg阻抗和ω-1/2的線性關系，在低頻率擬合的曲線斜率是Warburg常數; d）所有樣品循環伏安圖：掃描速率為0.1 mV s-1.

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775318312308?via%3Dihub

本文由深圳大學劉劍洪課題組供稿，材料人編輯部編輯。

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