系統性的機理研究表明,改性的LZPO-LCO正極在低溫下對電解液具有更好的浸潤性并在循環過程中生成了更好的正極-固態電解質界面(CEI)層,Zr摻雜還具有錨定晶格氧抑制氧化析出的作用,最終實現了高電壓下優異的低溫性能。

受低溫影響,鋰離子電池的實際應用性能不佳,尤其是在冬季的高海拔或高緯度地區??紤]到人口密集地區的冬季平均氣溫,優異的民用鋰離子電池必須在-25℃保持其大部分容量。然而,商用鋰離子電池在0℃以下的容量保持率和倍率放電能力明顯下降,在-20℃幾乎無法使用。電極-電解質界面相容性是影響低溫性能的關鍵因素。界面兼容性差可能導致巨大的電荷轉移電阻和過度極化,這種現象在鋰金屬和固態電解質界面已經被廣泛研究,但在低溫液體電解質系統中尚未被注意到。鈷酸鋰由于其高理論容量、高密度和高電子/離子導電性等優點被認為是低溫鋰離子電池的理想候選材料,但實際低溫性能仍然欠佳。

近日,中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員黃富強等在ACS Energy Letters上發表題為Superwettable high-voltage LiCoO2 for low-temperature lithium ion batteries的研究論文。該研究基于改善低溫下電極-電解液界面相容性提升電池低溫性能的指導思想設計制備了淺表層Zr摻雜和表面Li2Zr(PO42納米顆粒散布的高微觀粗糙度的按摩球狀LiCoO2正極材料。通過研究微觀粗糙度與電解液-電極材料浸潤性的關系,以及不同LiCoO2正極在不同溫度和電壓下的電化學性能,研究人員研制出兼具優異的高電壓和低溫性能的改性LiCoO2正極。在使用常規商用電解液情況下,即使在-25℃環境溫度和4.6 V下,改性LiCoO2正極仍表現出200 mAh g–1的可逆充放電容量、優異的倍率性能(137 mAh g–1@5 C)、高循環穩定性(94%@100圈)和庫倫效率(99.9%)。此外,該研究分析了低溫下LiCoO2正極表面和體相的演化過程,闡明了改性LiCoO2正極優異性能的內在機理。

研究人員通過軟化學方法制備了一種獨特的磷酸鋯鋰寡聚體膠體并將其與商用鈷酸鋰材料復合后煅燒,最終獲得了顆粒淺表層Zr摻雜和表面鋰離子導體Li2Zr(PO42納米顆粒散布的高微觀粗糙度的按摩球狀LiCoO2正極材料,證明其對電解液具有超浸潤性。電化學性能測試發現,在-25 ℃和4.6 V截止電壓測試條件下,LZPO-LCO半電池相比于參比樣品表現出更小的充放電極化電壓、更高的可逆容量和平均庫倫效率以及更好的循環穩定性和倍率性能,遠優于已報道的改性層狀、尖晶石和橄欖石型正極材料的低溫性能。此外,研究人員利用LZPO-LCO正極、硬碳負極和商用碳酸酯電解液組裝了全電池,-25℃低溫充放電循環200圈后仍能保持92%的容量。系統性的機理研究表明,改性的LZPO-LCO正極在低溫下對電解液具有更好的浸潤性并在循環過程中生成了更好的正極-固態電解質界面(CEI)層,Zr摻雜還具有錨定晶格氧抑制氧化析出的作用,最終實現了高電壓下優異的低溫性能。

相關研究工作得到國家自然科學基金和上海市自然科學基金的支持。

LZPO-LCO的微觀形貌、元素分布及原子相表征

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LZPO-LCO與對比樣品的電化學性能研究

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LZPO-LCO與對比樣品循環前后的離子擴散特性與CEI組成研究

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低溫電化學-拉曼原位測試、循環后材料形貌表征與同步輻射軟X射線吸收譜

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[責任編輯:張倩]

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