中國粉體網(wǎng)訊 近幾年,納米氧化鋯作為添加劑被用于三元材料(即鎳鈷錳酸鋰Li(NiCoMn)O2),鈷酸鋰(LiCoO2),錳酸鋰(LiMn2O4)等鋰電池正極材料,可顯著提高電池的循環(huán)性能,倍率性能等,受到產(chǎn)學(xué)研各方面的重視。
我們以鎳鈷錳酸鋰(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2)和LiNi0.9Mn0.1O2正極材料為例,來聊一聊納米氧化鋯對正極材料性能的影響。
對結(jié)構(gòu)的影響
通過對LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2摻雜ZrO2發(fā)現(xiàn)(下圖),是在不同摻雜ZrO2量下合成的目標(biāo)正極材料的XRD圖譜,在不同摻雜量下各個(gè)材料的XRD特征峰大致相同,經(jīng)過Jade分析后屬于六方晶系的α-NaFeO2型的層狀結(jié)構(gòu),沒有其它的雜峰,說明ZrO2摻雜后的材料沒有影響到原始材料的整體結(jié)構(gòu)。
不同ZrO2摻雜量下Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)1-xZrxO2正極材料的XRD圖譜
對形貌的影響
隨著Zr摻雜量的增加,材料的一次顆粒由最初200~400nm大小的規(guī)則塊狀顆粒逐漸變?yōu)榇笮?00~200nm、聚集致密的顆粒,由一次顆粒團(tuán)聚而成的大顆粒僅有1~2μm,且摻雜后的材料一次顆粒都開始從球體上脫落,顆粒的球形度都不如未摻雜的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料。
顆粒尺寸越小,Li+的擴(kuò)散路徑越短,越有利于Li+在層狀結(jié)構(gòu)中的脫嵌,但是在一定程度上摻雜后的材料也破壞了類球形的形貌。
對電化學(xué)性能的影響
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),ZrO2摻雜后的材料放電比容量都明顯高于原始的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料,這可能與上面提到的ZrO2摻雜后材料的粒徑變小相關(guān),顆粒尺寸變小后在充放電過程中材料的脫嵌更加容易,所以摻雜后材料的放電比容量上升。
隨著充放電的進(jìn)行,一定量的摻雜離子Zr4+還可能遷移到電極表面并形成固溶體,防止了由于充放電期間各向異性結(jié)構(gòu)變化引起的結(jié)構(gòu)坍塌,同時(shí)固溶體還充當(dāng)保護(hù)涂層防止了鈷溶解到電解質(zhì)中,因此,材料結(jié)構(gòu)在循環(huán)過程的相變期間變得非常穩(wěn)定,循環(huán)穩(wěn)定性增強(qiáng)。
LiNi0.9Mn0.1O2正極材料
呂慶文等對LiNi0.9Mn0.1O2正極材料的研究發(fā)現(xiàn),少量ZrO2摻雜不但不會(huì)改變LiNi0.9Mn0.1O2正極材料α-NaFeO2晶型結(jié)構(gòu),反而能降低材料內(nèi)部陽離子混排程度,使材料晶型更加完整,提升材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
摻雜ZrO2對材料放電比容量并沒有多大影響,但是能改善材料的循環(huán)穩(wěn)定性。
ZrO2摻雜可以降低材料內(nèi)阻,這可能是由于ZrO2摻雜降低了材料內(nèi)部副反應(yīng),提升了Li+脫/嵌速率。
而分析放電深度的曲線可知,材料的內(nèi)阻也隨著放電深度的增大而增大,放電越完全,阻值增加越大,這可能是由于隨著放電深度的增加對材料結(jié)構(gòu)破壞比較大,造成晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,阻值急劇變大。
參考來源:
[1]呂慶文等.LiNi0.9Mn0.1O2正極材料摻雜ZrO2改性研究
[2]王輝.鋰離子電池高鎳三元正極材料的合LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2成及改性研究
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川)
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