近日,上海交通大學李林森特別研究員和馬紫峰教授等人與美國萊斯大學(Rice University)的Tang Ming(唐銘)教授合作,在能源材料領域知名期刊《Energy Storage Materials》上發(fā)表了題為“Single-Crystal Nickel-Rich Layered-Oxide Battery Cathode Materials: Synthesis, Electrochemistry, and Intra-Granular Fracture”的最新研究成果。論文第一作者為上海交通大學化學化工學院博士研究生錢冠男,李林森、唐銘和馬紫峰為該論文共同通訊作者。
鎳鈷錳酸鋰(NMC)和鎳鈷鋁酸鋰(NCA)三元正極材料能提供較高的能量密度和功率密度,已經(jīng)廣泛應用于新能源汽車動力電池。目前,商業(yè)化的三元正極材料大多是由納米級別一次顆粒團聚形成的10微米左右的二次球型多晶材料。多晶NMC內部存在大量晶界(grain boundary)。在電池充放電過程中,由于各向異性的晶格變化,多晶NMC容易出現(xiàn)晶界開裂,導致二次顆粒發(fā)生破碎,比表面積和界面副反應快速增加 (圖1),導致電池阻抗上升,性能快速下降。
圖 1. 多晶和單晶NMC正極材料中顆粒破碎及其與電化學性能相關性的示意圖
單晶型三元材料內部沒有晶界,可以有效應對晶界破碎及其導致的性能劣化問題,本研究團隊開發(fā)一種新型的單晶材料合成工藝,制備出單晶型NMC三元正極材料。本工作采用原位XRD和非原位SEM對制備過程觀測,優(yōu)化煅燒溫度、鋰化比、水洗工藝等反應參數(shù),制備得到性能優(yōu)異的622型和811型單晶NMC。與商品多晶三元材料相比,單晶三元材料在常溫和高溫下均具有更好的循環(huán)穩(wěn)定性。團隊進一步研究了單晶NCM內部裂紋生長和單晶的問題。通過斷裂力學分析,估算了單晶內部裂紋生長的參數(shù)條件以及單晶發(fā)生內部開裂的臨界尺寸值;通過電化學實驗及離子束切割,闡述了電池充電電壓、電化學相變、材料脫鋰量與單晶內部裂紋的關系,以及裂紋生長取向性問題。研究表明,在正常充放電電壓范圍內(2.8?4.3 V vs Li+/Li),經(jīng)過1000次充放電循環(huán),單晶型三元材料顆粒不發(fā)生破碎;但是,在過充的條件下(例如,充電至4.7 V, 每個結構單元取出 >0.84 Li+),單晶NMC顆粒也會發(fā)生顆粒內破碎(圖2)。本工作為單晶型高鎳三元材料的進一步研發(fā)提供了理論依據(jù)和模型材料。
圖2. 單晶NMC正極材料的電化學循環(huán)和機械穩(wěn)定性優(yōu)于多晶NMC
在基礎研究指引下,本團隊加強工程化技術開發(fā),依托上海電化學能源器件工程技術研究中心,設計開發(fā)出單晶三元材料公斤級中試生產(chǎn)線,順利生產(chǎn)出合格的622型單晶NMC和Ni83材料,并已經(jīng)與包括萬向A123 等國際知名電池企業(yè)展開初步合作,為單晶高鎳三元材料的工程化奠定良好的基礎。(圖3)
圖3. 公斤級622型單晶NMC正極材料及Ah級軟包全電池
這項工作得到國家特聘青年專家計劃、國家自然科學基金和中國石化科技發(fā)展基金等項目支持。
全文鏈接:Guannan Qian et al, Single-crystal nickel-rich layered-oxide battery cathode materials: synthesis, electrochemistry, and intra-granular fracture, Energy Storage Mater. 2020, 27, 140-149.
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.01.027
版權與免責聲明:本網(wǎng)頁的內容由收集互聯(lián)網(wǎng)上公開發(fā)布的信息整理獲得。目的在于傳遞信息及分享,并不意味著贊同其觀點或證實其真實性,也不構成其他建議。僅提供交流平臺,不為其版權負責。如涉及侵權,請聯(lián)系我們及時修改或刪除。郵箱:sales@allpeptide.com