图片展示

      

搜索
图片展示

文献赏析:采用固-液-气集成界面工程提升富锂锰基正极材料的循环稳定性

作者:元能科技(厦门)有限公司 浏览: 发表时间:2022-04-20 11:21:49

图片1.png

1、作者信息及文章摘要

2022年,厦门大学彭栋梁教授和谢清水特任研究员带领的团队开发了一种固-液-气集成的表界面改性方法,在富锂锰基正极材料(LRM)表面引入CEI预构层和缺陷异质结构,显著提升了材料的循环稳定性。该项工作开辟了一种调控LRM表界面稳定性的新思路,对开发高能量密度锂离子电池具有重要作用。厦门大学材料学院彭栋梁教授和谢清水特任研究员为本文通讯作者,厦门大学材料学院博士研究生郭慰彬为本文第一作者。

2、样品制备及测试

1.初始富锂锰基正极材料PLRM制备;

2.草酸二甲酯(DMO)辅助改性后富锂锰基正极材料DLRM制备;

3.测试项目:成分分析、晶体结构分析、形貌分析、电化学性能分析、DFT计算、极片电阻分析(BER1300-IEST)、软包电芯原位产气测试(GVM2200-IEST)等。

3、结果分析

如图1所示,作者发现LRM经DMO辅助表界面改性后,可以在LRM的二次颗粒表面和内部的一次颗粒的表界面形成均匀的CEI预构层和引入缺陷异质结构。其中CEI预构层包含有C2O4H2-基团,缺陷异质结构包括锂缺陷、氧空位、尖晶石/层状异质结构、TM空位和堆垛层错等。

图片2.png

图1. 固-液-气集成的表界面改性方法示意图和改性后LRM的形貌与微观结构图

对比改性前后材料在极片层面的电子电阻(图2),可发现DLRM的极片电阻小于PLRM,且初始态的DLRM的离子转移电阻Rct同样也小于PLRM1C下循环500圈后,DLRM的Rct增长量也明显小于PLRM。分析原因,Rct的减小主要归因于表面存在的缺陷异质结构,如锂空位、氧空位和TM空位均会减小Li+的扩散势垒,而尖晶石/层状异质结构可以提升电子电导率,同时为Li+提供一个快速的三扩散通道,因此DLRM有更好的倍率能力。

图片3.png

图2.改性前后LRM极片电阻以及EIS阻抗测试结果

分析循环后样品的形貌,循环后的PLRM颗粒表面存在一层较厚、粗糙且破裂的CEI层,而DLRM的表面CEI层则明显相对薄且均匀,这说明所构建的CEI预构层和缺陷异质结构可有效减缓电解液对材料表面的腐蚀以及避免一些电解液副反应。为了证实两种材料发生副反应的程度,通过对两种材料组装的单层软包电池进行原位体积变化测试(图3)。首圈充放电过程的体积变化主要是有氧析出和界面副反应导致,对比两种电芯的体积变化量可明显看出DLRM单位质量体积膨胀量小于PLRM,这也说明DLRM有更好的表面和结构稳定性。


图片4.png

图3.改性前后LRM的软包电芯原位体积测试结果

电化学性能测试结果显示(图4),相比PLRM,改性后的DLRM的充电比容量降低,而放电比容量增加,这主要是由于改性处理移除了材料表面残留的锂源,同时在表面形成了锂缺陷和尖晶石结构,有效提升了材料的表面稳定性,进而获得了高的首次库仑效率。另外,DLRM展现出更好的倍率性能和循环稳定性,在1C下经过500圈循环后,DLRM的容量保持率仍能达到83.3%,显著高于PLRM的72.9%。

图片5.png

图4.改进前后LRM的电性能测试结果

4、总结

综上所述,采用DMO辅助固-液-气集成的表界面改性方法,在富锂锰基正极材料(LRM)表面引入了CEI预构层和缺陷异质结构,有效提升了LRM的表面和结构稳定性,从而提升了其综合电化学性能。该项工作提供了一种简单的方法来改善层状正极材料的循环稳定性,有望应用到工业化生产。


5、IEST元能科技相关测试设备推荐

设备一:

极片电阻仪:型号BER1300(IEST元能科技),采用双平面可控压圆盘电极电阻法,有如下特点:

1.分离电压电流线,排除电感对电压测量的影响,提高检测精度;

2.直径14mm圆盘电极,保证与样品有相对大的接触面积,减小测试误差;

3.直接测量真实极片纵向穿透电阻,即涂层电阻、涂层与集流体接触电阻、集流体电阻的总和;

4.可实时监控极片电阻、极片厚度和极片压密随压强的变化;

5.可精确控制施加压强,保证测试数据的一致性。

图片6.png

设备二:

原位产气体积监控仪:型号GVM2200(IEST元能科技),有如下特点:

1.力电同芯测试系统:长时间原位在线监控,且高分辨率1μL;

2.实现不同温度测试环境:20~85℃;

3.专用测试软件:实时采集、显示力学测试系统数据,自动绘制体积变化曲线与电性能曲线。


文献原文

Weibin Guo, Yinggan Zhang, Liang Lin, Wei He, Hongfei Zheng, Jie Lin, Baisheng Sa, Qiulong Wei, Laisen Wang, Qingshui Xie and Dong-Liang Peng. Enhancing cycling stability in Li-rich Mn-based cathode materials by solid-liquid-gas integrated interface engineering.Nano Energy 97 (2022) 107201. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107201


公众号尾部二维码1.jpg





元能科技(厦门)有限公司  Initial Energy Science&Technology Co.,Ltd(IEST)

地点:厦门市湖里区火炬高新区新丰二路2号(4楼)     电话:(86)592-5367060     手机:13959547432     传真:(86)592-5367062     邮箱:info@iesttech.com

———————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————

@copyrigth 2020 元能科技(厦门)有限公司  技术支持:中创网

添加微信好友,详细了解产品
使用企业微信
“扫一扫”加入群聊
复制成功
添加微信好友,详细了解产品
我知道了