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锂电正极材料常识分享

编辑:转载   文章来源:8455新葡萄娱乐   时间:2016-09-29

  今天分享的是锂电正极材料-NCM111材料相关的常识,NCM111材料是常用的三元材料之一,它被广泛的应用在电动工具和电动汽车等领域。

  NCM111材料由镍、钴、锰三种过渡金属元素组成。NCM111材料面临着容量衰降快的问题,这很大的程度上是由于NCM材料中的过渡金属元素溶解造成的,溶解的过渡金属元素不仅会导致正极材料的结构遭到破坏,还会吸附于负极表面造成SEI膜的破坏,并催化电解液分解,从而造成电池整体性能的下降。为了避免NCM111材料性能过快衰降,提高电池的循环寿命,人们提出了多种方法,例如材料颗粒表面包覆Al2O3,AlPO4等材料,避免电解液与正极材料直接接触。也有在材料中添加少量其他元素,提高材料自身结构的稳定性,例如Al、Mg、Cr等。

  近来大家开始关注正极成膜添加剂,通过在电解液中添加成膜添加剂,例如VC、FEC等添加剂,在正极的表面形成一层保护层,即能允许Li+通过,也能避免正极材料与电解液直接接触,抑制过渡金属元素的溶解,可以明显的提高材料的寿命。

  近日,德国明斯特大学的Yunxian Qian等人根据上述理论,针对性的开展了添加剂对提高NCM111材料循环寿命的影响的研究。实验中采用的NCM111材料为市场上可以购买的商业产品,电解液采用了重量比为3:7的的EC与EMC混合溶剂,锂盐则采用了常见的LiPF6,分别向电解液中添加了VC,FEC和EC三种添加剂,用于研究其对提升NCM111材料循环寿命的作用。实验分别采集了三个阶段的样本:激活,并循环5次;激活,并循环100次;激活,并循环150次。实验发现,添加VC和FEC的样品,相比于空白对照组和添加EC的组,首次放电容量有了显著的提升,达到121mAh/g,而空白组和添加EC的样品,首次放电容量仅为118和108mAh/g,在循环150次后这种差距更为明显,添加FEC的样品,容量达到114mAh/g,而其他几个对照组,剩余容量不足80mAh/g。扫描电镜分析发现,在经过150次循环后,空白组,VC组和EC组在电极表面形成了一层厚厚的电解液分解产物,也就是大家所说的正极界面膜,EDX分析发现,界面膜的主要成分为碳、氧、氟和硫,表明这正是由电解分解产生的Li2CO3、LiF和无定形碳等成分。这层界面膜的持续增长,会造成电极阻抗增加,活性物质之间的接触电阻增加,并阻碍锂离子的扩散,造成电池容量的衰降。而对FEC组的分析发现,其表面并没有厚重的正极界面膜产生,结合前面电化学测试的中FEC良好的容量保持率,表明持续增加的正极界面膜是造成NCM容量衰降的重要原因。通过分析正极界面膜的厚度可以帮助大家更清楚的了解这一过程,分析发现,空白组的电极经过150次循环后,在正极表面形成了一层4.0nm的PEO,而PEO为电解液溶剂分解的产物。而添加VC组,在经过100次循环后,PEO厚度仅1nm,但是当100-150次,PEO的厚度快速增加,达到2.9nm,这也与容量在1008455新葡萄娱乐罂焖偎ソ迪嘁恢隆6鳨S组,则在界面膜中发现LiF增加速度很快,使得大量的Li被固定到了界面膜中,这也是造成容量衰降的重要原因。而FEC组的电解液分解就要明显少于其他对照组,循环100此后,PEO厚度仅为0.7nm,循环150次,厚度仅为0.8nm。该项研究表明,对于NCM材料正极成膜添加剂,能否形成稳定的正极界面膜是考察该添加剂有效性的重要依据。Yunxian Qian等人的研究表明,FEC是一种非常有效的正极成膜添加剂,添加FEC,可以有效的抑制正极界面膜的厚度持续增加,而且其成膜的主要成分为LiF,FEC还能够减少电解液分解,有效的提高NCM材料的循环寿命。(本文转自锂电资讯网)


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