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MnPO4包覆提升NCM622材料在高溫高電壓下的循環(huán)穩(wěn)定性

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2021年08月17日  

隨著電動汽車續(xù)航里程的不斷新增,對動力鋰離子電池能量密度的要求也在不斷的提高,NCM111材料已經(jīng)難以滿足高比能電池的設(shè)計需求,因此近年來越來越多的動力鋰離子電池開始采用容量更高的NCM523和NCM622材料,NCM622材料的可逆容量可達170mAh/g(3.0-4.3V),能夠有效的提升動力鋰離子電池的比能量,但是Ni含量的提高也導(dǎo)致NCM622材料的穩(wěn)定性下降,特別是在高電壓(4.6V)和高溫(55℃),NCM622顆粒表面Ni4+的強氧化性會導(dǎo)致電解液在顆粒表面分析,同時伴隨著的O的損失,進而導(dǎo)致過渡金屬元素的混排現(xiàn)象,引起NCM622材料的結(jié)構(gòu)從層狀結(jié)構(gòu)向無序尖晶石結(jié)構(gòu)和巖鹽結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致可逆容量的損失和界面阻抗的新增。


表面包覆是改善NCM材料界面穩(wěn)定性常見的辦法,通過在NCM顆粒表面包覆一層惰性材料,戒備電解液與NCM材料筆直接觸,提升界面的穩(wěn)定性,有助于提升NCM材料的循環(huán)穩(wěn)定性。近日,新加坡的南洋理工大學(xué)的ZhenChen(第一作者)和Guk-TaeKim(通訊作者,guk-tae.kim@kit.edu)、StefanoPasserini(通訊作者,stefano.passerini@kit.edu)、ZexiangShen(通訊作者,zexiang@ntu.edu.sg)等人通過在NCM622材料表面包覆一層MnPO4材料,戒備了活性物質(zhì)與電解液的筆直接觸,有效的抑制了NCM材料的界面副反應(yīng)的發(fā)生,改善了NCM材料高溫柔高電壓下的循環(huán)穩(wěn)定性。


試驗中ZhenChen首先采用溶膠-凝膠法合成了NCM622材料,然后采用共沉淀辦法在NCM顆粒表面沉積了一層MnPO4層,形成核殼結(jié)構(gòu)的MP-NCM材料。下圖為NCM材料的XRD衍射圖,從圖中能夠看到(006)/(102)以及(108)/(110)衍射峰都發(fā)生了分明的分裂,聲明試驗中制備的NCM材料具有良好的結(jié)晶度,MnPO4包覆沒有改變NCM材料的晶格結(jié)構(gòu),聲明MnPO4緊要是存在于NCM622材料顆粒的表面。


下圖a為NCM和MP-NCM材料的循環(huán)伏安曲線,掃描速度為0.1mV/s,從圖中能夠看到緊要的氧化還原峰出今朝3.7V-4.0V之間,對應(yīng)的為Ni2+/Ni4+氧化還原對,在第1次循環(huán)中,未包覆NCM材料的氧化還原峰的位置分別位于3.897V和3.715V,氧化還原峰的電壓差值為0.182V,但是在經(jīng)過3次循環(huán)后差值新增到了0.209V,而MP-NCM材料在第1次循環(huán)中電壓差值為0.188V,略高于未包覆的NCM材料,但是在第3次循環(huán)后電壓差值下降到了0.163V,這聲明MnPO4包覆有關(guān)減少NCM材料長期循環(huán)中的極化,提升循環(huán)性能具有積極的用途。


為了分解MnPO4包覆對NCM材料倍率性能的影響,ZhenChen采用0.1mV/s到1.5mV/s的速度對NCM材料進行了循環(huán)伏安掃描分解,循環(huán)中的峰值電流如下圖c和f所示,依據(jù)Randles-Sevcik公式計算Li+的擴散系數(shù)顯示,未包覆的NCM材料脫鋰和嵌鋰的Li+擴散系數(shù)分別為5.24x10-9cm2/s和1.87x10-9cm2/s,而經(jīng)過MnPO4材料包覆后的NCM的材料的Li+擴散系數(shù)分別為2.17x10-8cm2/s和5.66x10-9cm2/s,達到了未包覆NCM材料的4倍。


下圖分別為NCM材料在不同溫度下的循環(huán)性能和倍率性能探測結(jié)果(3.0-4.6V),在0.1C倍率下(3.0-4.3V),未包覆的NCM初始容量為182.6mAh/g,MnPO4包覆的NCM材料的初始容量為179.4mAh/g,這緊要是因為MnPO4包覆層的重量也計入到了NCM材料比容量的計算之中,導(dǎo)致比容量有一定程度的降低。但是在循環(huán)性能上MP-NCM材料卻有了分明的提升,在20℃下,循環(huán)100次(10C,3.0-4.6V)后MP-NCM材料的容量保持率可達97.7%,而未包覆的NCM材料容量保持率僅為87.5%,在40℃下MP-NCM材料的容量保持率可達94%,而未包覆的NCM材料容量保持率僅為87.6%,在60℃下,MP-NCM材料的容量保持率可達83.1%,未包覆的NCM材料容量保持率僅為68.8%,聲明MnPO4包覆顯著提升了NCM材料界面的穩(wěn)定性,改善了高溫柔高電壓下的循環(huán)穩(wěn)定性。


在倍率性能上MnPO4包覆材料也表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能,在0.1C下MP-NCM材料的可逆容量221mAh/g(3.0-4.6V),隨著電流密度提高到0.5C、1C、2C、5C和10C,MP-NCM材料的可逆容量分別為196.2,182.0,151.5,136.4和114.5mAh/g,而沒有包覆的NCM材料的倍率性能則要分明較差,在0.1C倍率下可逆容量為215.8mAh/g,隨著倍率的提升可逆容量迅速降低,175.1(0.5C),151.6(1C),124.2(2C),80.0(5C)和22.9mAh/g(10C),這也與前面所測得的Li+擴散系數(shù)相一致,MnPO4材料的包覆不僅僅大幅改善了NCM材料的界面穩(wěn)定性,更大幅提升了NCM材料中的Li+擴散系數(shù)(相比于未包覆NCM材料提升了4倍),改善了NCM材料的倍率性能。


對循環(huán)后的NCM材料進行TEM分解能夠發(fā)現(xiàn)未經(jīng)包覆解決的NCM顆粒表面在循環(huán)后變的非常粗燥,NCM材料的晶體結(jié)構(gòu)也發(fā)生了分明的衰變,聲明循環(huán)中NCM顆粒的表面發(fā)生了較多的副反應(yīng)。而經(jīng)過MnPO4包覆后的NCM材料表面形成了一層平均的界面層(CEI,厚度2-3nm,緊要來自電解液的分析),聲明MnPO4層存在很好的抑制了電解液的分析,減少了界面副反應(yīng),提升了高溫柔高電壓下的循環(huán)性能。


MnPO4包覆不僅僅改善了NCM材料的電化學(xué)性能,也改善了其熱穩(wěn)定性,通過差熱分解發(fā)現(xiàn),沒有包覆的NCM材料(充電到4.3V)在282℃開始出現(xiàn)一個分明的放熱峰,同時在274℃也出現(xiàn)了一個小的放熱峰,整個放熱反應(yīng)的放熱量為307.4J/g,而經(jīng)過包覆解決后的NCM材料放熱峰溫度提高到了285.6℃,放熱量也大為減少(264.6J/g),聲明MnPO4包覆能夠有效的提升NCM材料的熱穩(wěn)定性,改善NCM材料電池的安全性。


MnPO4作為橄欖石結(jié)構(gòu)的材料,具有良好的穩(wěn)定性,包覆在NCM顆粒的表面能夠有效的減少NCM顆粒表面的副反應(yīng)的發(fā)生,提升NCM622材料在高溫(55℃)和高電壓(4.6V)下的循環(huán)穩(wěn)定性,同時MnPO4材料包覆也顯著提升了Li+在NCM材料中的擴散系數(shù),改善了NCM622材料的倍率性能,MnPO4包覆也提高了NCM622材料的熱穩(wěn)定性,有關(guān)改善動力鋰離子電池的安全性也具有緊要的意義。


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