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研究發(fā)明低曲折電極設(shè)計(jì) 助力高性能LMO電池開發(fā)
2023-01-04 13:16:12蓋世汽車閱讀量：1091 我要評(píng)論
【百分零部件網(wǎng) 技術(shù)前沿】據(jù)外媒報(bào)道，華中科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出一種在介觀尺度上增強(qiáng)動(dòng)態(tài)相穩(wěn)定性和抑制Mn溶解的策略，可促進(jìn)高性能尖晶石LiMn2O4(LMO)極的開發(fā)。相關(guān)論文已發(fā)表于期刊《Energy Material Advances》。
論文作者、華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院教授謝佳表示：“電動(dòng)汽車和電動(dòng)自行車的發(fā)展引發(fā)了人們對(duì)動(dòng)力鋰離子電池的興趣。開發(fā)具有優(yōu)異倍率性能、循環(huán)穩(wěn)定性和高能量密度的先進(jìn)電極材料至關(guān)重要。”
謝教授解釋說，憑借低成本、安全可靠、高工作電壓和快速3D鋰離子傳輸通道等優(yōu)點(diǎn)，LMO被認(rèn)為是一種很有前景的動(dòng)力鋰離子電池陰極材料。
但LMO的循環(huán)穩(wěn)定性限制了其大規(guī)模應(yīng)用，其兩大挑戰(zhàn)分別是不可逆的相變和錳溶解。在循環(huán)重復(fù)過程中，從尖晶石結(jié)構(gòu)的LiMn2O4到缺陷尖晶石結(jié)構(gòu)的λ-MnO2、LiMn3O4，甚至巖鹽結(jié)構(gòu)的MnO，都在發(fā)生不可逆相變。
不可逆相變的連續(xù)積累導(dǎo)致LMO顆粒產(chǎn)生裂紋，而LMO顆粒裂紋產(chǎn)生的新暴露表面可以與電解質(zhì)相互作用，從而促進(jìn)Mn從LMO中溶解，導(dǎo)致LMO表面過度鋰化，進(jìn)而加速不可逆相變和顆粒裂紋。上述問題都會(huì)導(dǎo)致LMO顆粒的劣化和性能的快速衰減，尤其是在快速充電條件下。
謝教授稱其團(tuán)隊(duì)已經(jīng)提出了包括元素?fù)诫s、表面改性和形態(tài)調(diào)控在內(nèi)的先進(jìn)策略來減輕LMO顆粒的降解。例如，采用金屬元素(Mg、Ni)和非金屬元素(B、P)作為摻雜元素，取代微量的Mn，從而使摻雜元素與O形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵。牢固的化學(xué)鍵使LMO可以保持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而實(shí)更好的現(xiàn)LMO電化學(xué)性能。
Al2O3、TiO2、ZrO2和Li3PO4等化合物作為涂層覆蓋在LMO表面，相當(dāng)于人工CEI，減少了LMO與電解液的直接接觸，從而抑制了Mn的溶解和體積變化。此外，調(diào)控LMO的結(jié)構(gòu)，如納米結(jié)構(gòu)材料、截角八面體晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，也是提高性能的有效手段。這些策略主要側(cè)重于改性活生物體材料本身的改性。
謝教授表示：“本文從電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度減輕了LMO的降解，從而提高了LMO的循環(huán)穩(wěn)定性。采用冰模板法構(gòu)建基于CMC粘合劑的低曲折LMO電極，所得電極橫截面中會(huì)具有穿過電極的直通道。”
謝教授還表示：“低曲折度結(jié)構(gòu)使LMO電極具有快速的鋰離子擴(kuò)散和小濃度極化，從而導(dǎo)致電極微區(qū)內(nèi)的均勻電化學(xué)反應(yīng)。此外，快速的鋰離子傳輸動(dòng)力學(xué)，以及低曲折度LMO的介觀尺度反應(yīng)，有效地緩解了不可逆的相變和Mn的溶解，并抑制了LMO顆粒中裂紋的產(chǎn)生。”
謝教授稱：“快速的離子傳輸動(dòng)力學(xué)行為和穩(wěn)定的相結(jié)構(gòu)賦予低曲折LMO電極優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，使其成為更具競(jìng)爭(zhēng)力的陰極。低曲折電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為開發(fā)高性能LMO電池提供了新途徑。”
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