当前通讯!研究人员开发无钴正极 可提高电池的容量和寿命
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现在,电动汽车销量激增,对钴金属的需求也随之增长。据外媒报道,韩国汉阳大学(Hanyang University)和美国太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory)的研究人员证实,在不使用钴的情况下制造高性能层状正极,或将有助于开发更可持续、低成本的锂离子电池解决方案。
到目前为止,从锂离子电池的层状正极中去除钴,极具挑战性。因为使用少量的钴,即可明显改善正极的结构稳定性。同时,可以加快锂离子插层动力学,提高电池的性能。为了解决这一问题,研究人员一直在探讨由Li(NixMn1-x)O2制成的正极。
以往研究显示,Li(Ni0.5Mn0.5)O2无钴正极具有循环稳定性,但无法为电动汽车提供充足的容量。研究人员尝试通过增加Li(Ni0.5Mn0.5)O2正极中的镍含量来提升容量,但未取得明显效果。因为不使用钴的话,很难从主体结构中提取锂。
在这项研究中,研究人员将正极的工作电压从4.3 V提高到4.4 V,以从Li(Ni0.9Mn0.1)O2中提取更多的锂,同时提高电池在最高工作电压下的能量密度和功率密度。为了使锂离子电池在4.4V(最高工作电压)下保持稳定,需要重新设计电池的正极微结构和电解质。
研究人员Chong S. Yoon教授表示:“加入具有高氧化态(Mo、W、Sb、Ta等)的掺杂剂,可以细化初级粒径并稳定脱锂主体结构。研究人员采用一种启发式方法,以确定掺杂1 mol% Mo的(Ni0.9Mn0.1)O2正极可以获得最佳性能。另外,在常规电解质中添加氟代碳酸乙烯酯,可以在4.4 V下强化电解质,保护正极表面免受电解质侵蚀。1 mol% Mo—Li(Ni0.9Mn0.1)O2循环1000次,可保留86%的初始容量,满足所需的电池寿命。”
对于在4.4 V下运行的1 mol% Mo—Li(Ni0.9Mn0.1)O2正极来说,主要问题在于容量随着时间的推移而下降(所有基于富镍层状正极的可充电电池都存在这一问题)。为了确保电池寿命,为设备提供合理时间的动力,首先必须解决容量衰减的问题。
Yoon表示:“在4.4V下,1 mol% Mo—Li(Ni0.9Mn0.1)O2具有优异的循环稳定性。在很大程度上,这要归功于粒度细化和阳离子有序化。通过高温热处理,可以将氢氧化物前体转化为Li(Ni0.9Mn0.1)O2。而在高温热处理过程中,Mo6+离子倾向于沿粒子间边界分离并抑制晶粒生长。通过偏转电荷端附近因晶格突然收缩产生的裂纹,这种超细结构正极中的晶界增加了断裂韧性。”
这种正极中的晶界,可以充当锂离子快速扩散的途径。因为消除了由于其构成而产生的局部不均匀性,可以抑制晶内断裂。通过加入Mo6+,该团队以一种特定的方式在正极中排列阳离子(即混合Li和Ni离子)。这种独特的设计稳定了正极结构,即使是在由于锂离子不均匀提取,正极处于最易受损的时候。
Yoon表示:“研究表明,开发高性能无钴层状正极并不是难以实现的目标。此次提出的1 mol% Mo—Li(Ni0.9Mn0.1)O2正极可在高压下运行,是一种具有经济效益的解决方案,以目前的制造技术是可以实现的。此外,通过阐明钴在从主体结构中提取锂离子过程中的内在作用,这项工作为选择三级掺杂元素提供了材料设计准则,以确保无钴层状正极的结构和机械耐久性。”
这项研究提出的正极设计和构成可以指导未来的研究工作,以提高富镍层状正极的总体性能。此外,这项工作可能为开发高性能无钴电池技术铺平道路,从而提高可持续性和成本效益。Yoon表示:“对于续航里程长、安全性更高的高性能电动汽车来说,下一代锂离子电池很可能是具有富镍无钴正极的全固态电池(ASSB)。目前,研究人员正在探讨将所提出的无钴正极应用于ASSB的可能性。”
关键词: 韩国汉阳大学 太平洋西北国家实验室 无钴正极 电池容量
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