电极表面包覆对电池性能改善的研究文献综述

 2023-08-14 04:08
  1. 选题背景和意义：

由于锂电池高的容量、安全性等优点，其已经成为了当今社会生活和工业生产等方方面面的主流储能装置。然而锂电池性能却极大的受制于正极材料，其中包括容量、倍率和循环稳定性等，都有待进一步的提高，这里面很大程度上是由于电极材料与电解液接触面的不稳定性导致，在充放电过程中反复的形成和破坏SEI膜，导致电池容量的快速衰减。

有很多的方法可以对电极材料进行改性，从而减缓循环过程中电池容量的衰减。一种简便的方法就是在电极极片完成涂覆后，利用溅射等工艺，对电极表面进行修饰，将电极和电解液进行有效的隔离，阻止电极表面与电解液之间的不良反应，从而改善电池的循环特性，同时，表面修饰可以降低锂离子进出的势垒，从而提高锂离子的扩散系数，改善倍率性能。

本项目以我们前期研究的阳离子无序正极材料为研究对象，为了减缓其循环过程容量衰减的程度，我们在电极涂覆后，利用脉冲激光沉积技术，尝试在电极表面修饰不同的材料，研究电池的容量、倍率性能和循环稳定性。

  1. 课题关键问题及难点：

关键问题为缓解锂电池电极材料与电解液接触面的不稳定以提高电池性能，其中阳离子无序正极材料的制备，电极表面的涂覆及对电极表面的修饰等为实验难点。

  1. 文献综述（或调研报告）：

目前,锂离子电池发展的瓶颈在于正极材料,设计和开发具有高比容量和高循环稳定性的正极材料是锂离子电池研究的热点和难点。然而，该类正极材料在商业化使用前仍然面临一些关键性的问题。首先，虽然首周比容量非常高，但是长周期循环时，阳离子无序岩盐富锂正极材料的比容量衰减严重，并伴随着放电工作电压逐渐降低。[1] 为了克服阳离子无序岩盐正极材料放电比容量衰减严重以及倍率性较差的缺点，一些研究者己经开始采用一些常见的策略和方法来改性这类材料，并且获得了较好的实验结果。目前为止，改性方法主要包括元素掺杂、热处理和其他一些处理方法。[2] 而采用有效的表面包覆改性策略来修饰该类材料的文献目前报道较少。

本实验首先对阳离子无序岩盐结构正极材料的热力学和动力学性质研究。固相法可合成阳离子无序岩盐正极材料，[3]并分析和研究其结构与电化学性能。Belharouak课题组[4]借助ALD 技术在Li1.2Ni0.13Mn0.54Co0.13O2孔状颗粒表面包覆一层超薄的AI2O3膜。结果显示包覆后的材料具有较高的首周库伦效率和改善的循环稳定性。众所周知，阳离子掺杂也是提高层状富锂正极材料电化学性能的常见方法之一。比如：Liu等人[5]合成并研究了Fe3 掺杂的Li1.2Mn0.6-x/2Ni0.2-x/2FexO2，结果表明合适的Fe掺杂能够显著的提高材料的循环稳定性和倍率性。Zhao课题组[6]研究了阳离子（Sn4 )掺杂对Li1.2Ni0.2Mn0.8O2的电化学影响，结果显示Sn掺杂可以提高材料的首周放电比容量、倍率性以及长周期循环后的容量保持率。因此本实验借助脉冲激光沉淀技术对电极材料进行不同厚度的Al2O3包覆，并用元素掺杂来修饰锂电池的Li1.25Nb0.25Mn0.5O2(LNMO)正极材料。研究正极材料改善后对电池容量、倍率性能、循环稳定性等方面的影响。

[1]Yabuuchi N, Takeuchi M, Nakayama M, et al. High-capacity electrode materials for rechargeable lithium batteries: Li3NbO4-based system with cation-disordered rocksalt structure [J]. PNAS, 2015, 112(25): 7650-7655.

[2] Choi A, Lim J, Kim H J, et al. Site-Selective In Situ electrochemical doping for Mn-Rich layered oxide cathode materials in lithium-ion batteries [J]. Advanced Energy Materials, 2018, 8(11): 1702514.

[3] Wang R, Li X, Liu L, et al. A disordered rock-salt Li-excess cathode material with high capacity and substantial oxygen redox activity: Li1.25Nb0.25Mn0.5O2 [J]. Electrochemistry communications, 2015, 60: 70-73.

[4]Zhang X, Belharouak I, Li L, et al. Structural and electrochemical study of Al2〇3 and Ti〇2 coated Li1.2Ni0.13Mn0.54Co0.13O2 cathode material using ALD [J]. Advanced Energy Materials, 2013, 3(10): 1299-1307.

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