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淺談納米技術在鋰離子電池中的應用

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年09月09日  

鋰離子電池作為高效儲能元件,已經廣泛的應用在消費電子領域,從手機到筆記本電腦都有鋰離子電池的身影,鋰離子電池取得如此輝煌的成績得益于其超高的儲能密度,以及良好的安全性能。隨著技術的不斷發展,鋰離子電池的能量密度、功率密度也在不斷的提高,這其中納米技術做出了不可磨滅的貢獻。說起納米技術在鋰離子電池中的應用,小編第一個想到的就是LiFePO4,LiFePO4由于導電性差,為了改善其導電性,人們將其制備成了納米顆粒,極大的改善了LiFePO4的電化學性能。此外硅負極也是納米技術的受益者,納米硅顆粒很好的抑制了Si在嵌鋰的過程中的體積膨脹,改善了Si材料的循環性能。近日美國阿貢國家實驗室的JunLu在Naturenanotechnology雜志上發表文章,對納米技術在鋰離子電池上的應用進行了總結和回顧。


正極材料


1.LiFePO4材料


LiFePO4材料熱穩定性好、成本低特性,吸引了人們的廣泛關注,但是由于LiFePO4材料內部獨特的共價鍵結構,使得LFP材料的電子電導率很低,因此限制了其高倍率充放電性能,為此人們將LFP材料制成納米顆粒,并采用導電材料(例如碳)、導電聚合物和金屬等材料進行包覆。此外人們還發現通過向納米LFP顆粒內利用非化學計量比固溶體摻雜方法摻入高價金屬陽離子,可以將LFP納米顆粒的電子導電性提高108,從而使得LFP材料可以在3min之內完成充放電,這一點對于電動汽車而言尤為重要。


下圖a為LFP晶體在(010)方向上的晶體機構,晶體中「PO6」八面體通過共用O原子的方式連接在一起,這種連接方式也導致了材料的電子電導率低。此外另一個影響LFP材料性能的問題是Fe占位問題,在1D方向上,Li+有很高的擴散系數,但是部分Fe占據了Li的位置,從而影響了Li在(001)方向上的擴散速度,導致材料的極化大,倍率性能差。


2.抑制LiMn2O4材料分解


LMO材料具有三維Li+擴散通道,因此具有很高的離子擴散系數,但是在低SoC狀態下會形成Mn3+,由于Jonh-Teller效應的存在,導致LMO結構不穩定,部分Mn元素溶出到電解液中,并最終沉積到負極的表面,破壞SEI膜的結構。目前,一種解決辦法是在LMO中添加一些低價主族金屬離子,例如Li等,取代部分Mn,從而提高在低SoC下Mn元素的價態,減少Mn3+。另外一種解決辦法是在LMO材料顆粒的表面包覆一層10-20nm厚度的氧化物、氟化物,例如ZrO2,TiO2和SiO2等。


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