Nano Lett. 核殼材料Li(NixMnyCoz)O2@LiFePO4作鋰離子電池正極材料中對稱的Li+通道能提高其高電壓循環穩定性

YenHo 7年前 (2016-09-19) 5271瀏覽

【引言】

基于層狀過渡金屬氧化物的三元合成的正極材料(Li[NixMnyCoz]O2,NMC或者NMCxyz)和最早的商業化正極材料LiCoO2相比，由于其高能量密度、低成本以及安全低毒性被認為是鋰離子電池中最有前景的正極材料。但是，在高電壓下充電時由于NMC的循環穩定性比較差，部分能量密度能夠被工作電壓(~4.2V)接收，并且Mn(II)在高電壓下易分解等問題亟待解決。

【成果簡介】

近日，北京大學深圳研究生院潘峰教授團隊以NMC為核，用納米級(010)晶面導向的LiFePO4(nano-LFP)對其進行表層包覆，這種基于nano-LFP包覆NMC材料的鋰離子半電池當充放電電壓在3.0V~4.6V間時長期循環過程中展現出了高度可逆性和優異的循環穩定性，比一般的NMC材料耐受電壓更高。

【圖文導讀】

圖1. 合成示意圖

圖1-1

NMC@LFP正極材料的合成過程示意圖

圖2. NMC@LFP的形貌特征

圖2

(a)?原始LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2 (NMC532)粒子的SEM圖；

(b)?納米LFP粒子的SEM圖；

(c) NMC@LFP(10%)樣品的SEM圖；

(d) NMC@LFP(10%)樣品的EDS mapping分析SEM圖；

(e) NMC@LFP(10%)樣品的Ni元素分析圖；

(f) NMC@LFP(10%)樣品的Fe元素分析圖；

(g) NMC@LFP(10%)樣品的TEM圖；

(h)相應的標注出來的紅色區域的放大圖。

圖3. NMC@LFP (10%)樣品截面的高分辨TEM圖

圖3

(a)聚焦離子束下產生橫截面圖的高分辨TEM的簡要說明，以及核殼材料NMC@LFP (10%)界面對稱Li+通道的TEM圖；

(b)界面的TEM圖；

(c)界面處Ni和Fe的元素分布圖；

(d)界面處的高分辨TEM圖；

(e)d圖中標記1,2,3位置處的晶格和電子衍射圖。

圖4. NMC@LFP系列樣品的結構

圖4

(a)NMC532、納米LFP、NMC@LFP(10%)和NMC@LFP(15%)樣品的XRD圖；

(b) NMC@LFP(10%)樣品的O 1S蝕刻XPS譜；

(c) NMC532和NMC@LFP(10%)樣品的DSC曲線(內部為NMC@LFP(10%)樣品不同溫度下的SEM圖)。

圖5. NMC@LFP系列樣品的電化學性能

圖5

(a)原始NMC532在3.0-4.6V電壓范圍內掃描速率為0.1mV/S的CV曲線；

(b) NMC@LFP(10%)樣品在3.0-4.6V電壓范圍內掃描速率為0.1mV/S的CV曲線；

(c)系列樣品在1/3 C時3.0~4.5V電壓的第100次充放電曲線；

(d)NMC532和NMC@LFP(10%)樣品在4.6V電壓下第5、50、100次循環的奈奎斯特圖；

(e)原始NMC532和NMC@LFP(5,10,15%)樣品在電壓3.0-4.5V間，在0.1C和1/3C處的循環性能；

(f) 原始NMC532和NMC@LFP(5,10,15%)樣品在電壓3.0-4.6V間，在0.1C和1/3C處的循環性能。

【展望】

這種無機包覆在可逆容量利用和長期循環穩定性方面的提高顯示了在改進NMC基材料的固有不足上是一種有效的方法，有望在電動汽車上展開實際應用。

潘峰教授簡介：

? ? ? ?潘鋒教授（博導，國家“千人計劃”特聘專家 ）是北京大學深圳研究生院新材料學院創院院長, ?美國勞倫斯伯克利國家實驗室高級訪問科學家。1985年獲北大化學系學士，1988年獲中科院福建物構所碩士，1994年獲英國Strathclyde大學博士(獲最佳博士論文獎)，1994-1996年瑞士ETH博士后。

潘鋒教授目前聚焦“新材料基因組（高通量的計算、合成與檢測及數據庫系統）”的研發及用于“清潔能源及關鍵材料研發”，包括新型太陽能電池、熱電發電、儲能和動力電池及關鍵材料的跨學科的基礎研究和產品開發，具有十多年在國際大公司從原創基礎研究到創新產品產業化的經歷 。2011年創建北京大學新材料學院（深圳研究生院），2012年底作為項目的首席科學家和技術總負責,以北大新材料學院作為協同創新的樞紐，組織深圳市動力電池、材料、裝備、研發等8家企業組成完整產業鏈創新群體，申請和承擔了國家（3部委）重大專項--新能源汽車（動力電池）創新工程項目，已圓滿完成項目。2013年作為團隊負責人獲得廣東省引進 “光伏器件與儲能電池及其關鍵材料創新團隊”的重大項目支持。2015年任科技部“電動汽車動力電池與材料國際聯合研究中心”（國家級研發中心）主任。2016年作為首席科學家組織11家單位（8所大學+深圳超算+2家深圳百億產值的電池企業）申報成功國家材料基因組平臺重點專項（“基于材料基因組的全固態鋰電池及關鍵材料研發”）。潘鋒教授在SCI收錄國外期刊發表近120多篇技術論文和書章，被Elsevier列為2015年中國高被引學者（Most Cited Chinese Researchers）之一，3項國際發明專利，30多項國內專利申請。

原文鏈接：Aligned Li+ Tunnels in Core?Shell Li(NixMnyCoz)O2@LiFePO4 Enhances Its High Voltage Cycling Stability as Li-ion Battery Cathode?(Nano Lett., 2016, DOI:10.1021/acs.nanolett.6b02742)

本文由材料人編輯部新能源學術組YenHo供稿，點這里加入材料人的大家庭。參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”,歡迎關注微信公眾號，微信搜索“新能源前線”或掃碼關注。2016-08-新能源前線-2

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