钴酸锂 材料性能提升机理被揭开

  随着消费电子产品,特别是5G手机等对锂电池续航时间和体积要求的不断提高,进一步提升电池体积能量密度成为关注热点。近日,中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心清洁能源实验室的研究人员,采用Ti、Mg、Al三种元素痕量掺杂,使锂离子电池正级材料——钴酸锂在4。6V高电压的充放电过程中,循环稳定性和倍率特性得到极大提升。 

  据研究人员介绍,提高钴酸锂电池的充电电压可以提高电池的体积能量密度,此前其充电截止电压已从1991年最早商业化时的4.20V逐渐提升至4.45V,体积能量密度也已超过700Wh/L。随着充电电压的提高,钴酸锂材料会逐渐出现不可逆结构相变、表界面稳定性和安全性能下降等问题,限制了其实际应用。研究人员通常采用多种元素痕量掺杂的手段对钴酸锂材料进行改性,以提升其在高电压充放电过程中的稳定性。 

  该团队与国内外的相关研究机构合作,系统研究了Ti、Mg、Al痕量掺杂对钴酸锂材料性能提升的作用机制,揭示了不同掺杂元素对材料性能改善的独特作用。 

  研究团队探索了不同掺杂元素在材料颗粒表面及体相内的分布规律,结果表明,在相同的材料合成条件下,Mg和Al元素更容易掺杂进入材料的晶体结构中,而Ti元素则倾向于在钴酸锂颗粒表面富集。进一步研究显示,掺杂进入钴酸锂晶格的Mg、Al可以抑制4.5V高电压充放电时出现的结构相变,而结构相变被普遍认为是导致钴酸锂材料在高电压充放电下性能衰减的主要原因之一。随后,Ti元素能够为钴酸锂颗粒提供良好的界面接触,从而提升材料的倍率性能,并有效地抑制高电压下材料表面氧离子的氧化活性,从而减缓高电压下材料与有机电解液的副反应,稳定材料的表面。 

  钴酸锂是最早商业化的锂离子电池正极材料。由于其具有很高的材料密度和电极压实密度,使用钴酸锂正极的锂离子电池具有最高的体积能量密度,因此钴酸锂是消费电子市场应用最广泛的正极材料。(中国化工报 供稿  作者 陈菲)


中国化工报社

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