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沈炎宾博士:高镍三元正极材料的界面化学及调控策略(报告)
2021年11月19日 发布 分类:行业要闻 点击量:132
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高镍三元层状氧化物正极材料如LiNi0.83Co0.12O0.03(NCM811)具有高比容量和低成本的优势,是现阶段高比能锂离子电池的首选正极材料。其中,镍是主要的氧化还原反应元素,含量越高,对NCM的比容量的提升就越大,因此当前主流观点是才用高镍三元材料提升电动汽车的续航,同时也要提高高镍三元的安全性以达到车辆使用要求。

Ni含量越高,三元材料容量越高

然而高镍三元材料在能量密度方面相比于其他几种正极材料有较大优势,但是也继承了LiNiO2的一些缺点,如合成过程中易偏离计量比、循环过程中容易向尖晶石结构转变等等,导致高镍三元材料的循环性能、安全性能及储存性能较差,阻碍了三元材料在动力电池领域的大规模应用。

用过高镍三元材料,尤其是811的人员都知道,这种材料在前期储存和加工过程中“极度怕水”,很容易在匀浆和涂布过程中因吸水形成果冻状浆料,使加工性能变差,并且表面结构层也容易发生变化,从而影响电极材料的性能发挥。


果冻状三元正极浆料

其主要原因有以下两点:

1. 表层结构脱锂导致不稳定

电极材料的脱锂均是从表层开始,并且随着充电的进行表层结构出现过度脱锂的现象,同时高镍三元材料的层状结构向尖晶石结构、惰性岩盐结构转变,往往在前几次充放电之后,材料表层即形成较厚的惰性层(主要成分为NiO)。另外表层强氧化性的高价过渡金属离子与电解液发生严重的副反应,也会造成电池的极化增大、容量快速衰减。

2. 过高的表面碱含量

正极材料表面的活性氧阴离子会和空气中的CO2和水分反应而生成碳酸根,从而结合锂离子在材料表面形成Li2CO3,而三元材料合成中锂盐过量的做法使得多余的锂盐在高温煅烧后的产物主要是Li的氧化物,与空气中的H2O和CO2反应再次生成LiOH和Li2CO3,残留在材料表面,使材料的pH值较高。


当三元材料中(包含NCA)镍含量越高时,其烧结温度就越低,使锂盐的挥发量降低,继而导致残留在材料表面的锂盐含量增多,材料的碱性就会变大。此外,在高Ni体系中由于化合价平衡的限制,使材料中Ni有一部分以3的形式存在,进一步提高了残余Li含量,其生成的碱性化合物含量也就越发高了。从而加剧高镍三元在储存和加工过程的吸水现象,影响电池的制备和电性能发挥,也容易出现胀气现象等。

因此研究高镍材料的表面结构,找出影响其电化学性能的结构起源和机理,对于提升高镍材料的电化学性能,解决其应用痛点,具有十分重要的意义。在即将于11月23-35日举办的“2021年全国新能源粉体材料暨增效辅材创新发展论坛”上,来自于中科院苏州纳米所沈炎宾博士将分享报告《高镍三元正极材料的界面化学及调控策略》,详细介绍其团队在高镍材料湿空气储存不稳定机理方面的研究进展,以及针对此问题提出的界面调控策略,精彩报告不容错过,快快报名参会吧!

报告人简介


沈炎宾中科院苏州纳米所研究员。2006年获哈尔滨工业大学电化学专业学士学位,2006-2010年在电池企业任电池研发工程师,2014年于丹麦奥胡斯大学化学系获博士学位,2015-2016年在北京中科合成油技术有限公司任Research Scientist2017年加入中科院苏州纳米所。研究方向为先进二次电池的材料与界面化学。至今在高质量期刊发表研究论文60篇,拥有授权发明专利10项,作为项目负责人主持(过)国家自然科学基金青年项目和面上项目,以及产业界横向合作项目共7项,及江苏省双创人才项目。


粉体圈会务组

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