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nature上的一篇锂电文章—浓度梯度镍钴锰三元正极材料的制备与性能

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LETTERSPUBLISHEDONLINE:22MARCH2009|DOI:10.1038/NMAT2418

High-energycathodematerialforlong-lifeandsafelithiumbatteries

Yang-KookSun1*†,Seung-TaekMyung2*,Byung-ChunPark1,JaiPrakash3,IliasBelharouak4andKhalilAmine4†

Layeredlithiumnickel-richoxides,Li[Ni1−xMx]O2(M=metal),haveattractedsignificantinterestasthecathodematerialforrechargeablelithiumbatteriesowingtotheirhighcapacity,excellentratecapabilityandlowcost1–7.However,theirlowthermal-abusetoleranceandpoorcyclelife,especiallyatelevatedtemperature,prohibittheiruseinpracticalbatteries4–6.Here,wereportonaconcentration-gradientcathodematerialforrechargeablelithiumbatteriesbasedonalayeredlithiumnickelcobaltmanganeseoxide.Inthismaterial,eachparticlehasacentralbulkthatisrichinNiandaMn-richouterlayerwithdecreasingNiconcentrationandincreasingMnandCoconcentrationsasthesurfaceisapproached.Theformerprovideshighcapacity,whereasthelatterimprovesthethermalstability.Ahalfcellusingourconcentration-gradientcathodematerialachievedahighcapacityof209mAhg−1

andretained96%ofthiscapacityafter50charge–dischargecyclesunderanaggressivetestprofile(55◦Cbetween3.0and4.4V).Ourconcentration-gradientmaterialalsoshowedsuperiorperformanceinthermal-abusetestscomparedwiththebulkcompositionLi[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2usedasreference.Theseresultssuggestthatourcathodematerialcouldenableproductionofbatteriesthatmeetthedemandingperformanceandsafetyrequirementsofplug-inhybridelectricvehicles.Recentseverefluctuationsincrude-oilpricesandglobalenvironmentalconcernshaveacceleratedeffortstodeveloplithium-ionbatteriesforplug-inhybridelectricvehicles(P-HEVs).Oneoftheprincipalcathodematerialsforsuchlithiumbatteries,LiNi0.80Co0.15Al0.05O2,hasbeeninvestigatedintenselyinthepasttenyears1.However,Li[Ni0.8Co0.15Al0.05]O2showspoorthermalcharacteristicsbecauseoftheoxygenreleasefromthehighlydelithiatedstate(forexample,Li0.35–0.55[Ni0.8Co0.15Al0.05]O2),whichoxidizestheelectrolyteandleadstoaseverethermalrunawayofthecell2–4.Furthermore,thehighconcentrationofunstableNi4+,whenchargingthismaterial,isreducedtoadivalentandinsulatingNiOphaseatthecathodesurface,resultinginhighinterfacialcellimpedanceandpoorcellelectrochemicalperformance4–6.EventhoughtheNi-richmaterial,Li[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2,haspoorcyclelifeandsafetyissues,itshighcapacityofapproximately200mAh(g-oxide)−1remainsattractive7forhigh-energybatteriesinthe40mileelectricdriveP-HEVs.Forthisapplication,5,000charge-depletingcyclesand15yearsofcalendarlifeaswellasexcellentsafetyareofextremeimportance8.ThesechallengingrequirementsmakeitdifficultforconventionalcathodematerialstobeadoptedinP-HEVs.1CenterforInformationandCommunicationMaterial,DepartmentofChemicalEngineering,HanyangUniversity,Seoul133-791,SouthKorea,2DepartmentofChemicalEngineering,IwateUniversity,4-3-5Ueda,Morioka,Iwate020-8551,Japan,3DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineering,IllinoisInstituteofTechnology,10West33rdStreet,Chicago60616,USA,4ElectrochemicalTechnologyProgram,ChemicalSciencesandEngineeringDivision,ArgonneNationalLaboratory,9700SouthCassAvenue,Argonne,Illinois60439,USA.*Theseauthorscontributedequallytothiswork.†e-mail:yksun@hanyang.ac.kr;amine@anl.gov.InterfaceBulkLi(Ni0.8 Co0.1 Mn0.1)O2(high capacity)Surface(high thermal stability)Concentration-gradientouter layerLi(Ni0.8¬x Co0.1+y Mn0.1+z)O20 ≤ x ≤ 0.340 ≤ y ≤ 0.130 ≤ z ≤ 0.21Li(Ni0.46 Co0.23 Mn0.31)O2Figure1|Schematicdiagramofpositive-electrodeparticlewithNi-richcoresurroundedbyconcentration-gradientouterlayer.AscanningelectronmicrographofatypicalparticleisshowninFig.2c.Recently,wereportedacore–shell-structuredLi[(Ni0.8Co0.1Mn0.1)0.8(Ni0.5Mn0.5)0.2]O2(ref.9)materialdesignedtoimprovethecyclelifeandsafetyoflithiumbatteries.ThecorematerialisLi[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2,whichshowshighcapacity,whereastheshellconsistsofLi[Ni0.5Mn0.5]O2,whichprovidesstructuralandthermalstabilityinhighlydelithiatedstates10–12.Aftercarefullyreviewingouranalysisresults,however,wefoundastructuralmismatchbetweenthecoreandtheshell;voidsoftensofnanometresbetweenthecoreandtheshellwerefoundinthepreparedcore–shellpowdersaftercycling13,14.Forexample,aNi-richcompound(corematerial)wasbelievedtoundergoavolumechangeofapproximately9–10%(ref.15),whereastheshellvolumechangewasonly2–3%duringde-intercalationofLi+ions16.Thedifferentdegreesofshrinkagewithinthesameparticlemayleadtogradualseparationofthecoreandshell,preventingtherealizationofhighcapacity,becausethecorepartlosesthepathwayfortheLi+ionsandtheelectrontransferprovidedbytheshell.Thisdiscontinuityresultsinadrasticdeclineofbatteryperformance.Here,wereportonanovelhigh-capacityandsafecathodematerialwithanaveragecompositionofLi[Ni0.68Co0.18Mn0.18]O2,inwhicheachparticleconsistsofbulkmaterialsurroundedbyaconcentration-gradientouterlayer.AsillustratedinFig.1,thebulkisanickel-richlayeredoxide(Li[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2)tosatisfythehighenergyandpowerrequirementfortheP-HEVs.Intheouterlayer,thereactivenickelionsaregraduallyreplacedwith

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锂离子电池高镍三元正极材料LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_(2)研究进展

锂离子电池高镍三元正极材料LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_(2)研究进展

Li Yue-zhu1, Huang Xing-wen1, Liao Song-yi2, Liu Yi-dong1, Min Yong-gang1
(1. School of Materials and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China; 2. College of Chemistry and Chemical Engineering, Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou 510225, China)
钴酸锂 一般
一般
尚可
较高 热稳定性好
NCM811 最高
一般
一般
最高 易热分解
而富镍层状的镍钴锰酸锂(LiNixCoyMn1-x-yO2(简 称NCM，0 <x，y <1)三元材料虽然也存在缺陷，比如 稳定性较差、安全性能不高等，但因其其他方面性能 相对均衡，兼具有能量密度高、功率密度高、环境友 好等特点被建议作为具有前途的正极材料应用到下 一代锂离子电池中[20-24]。在三元材料中，只有镍和钴 具有电化学活性，锰的存在只是为了稳定晶体结构，
Key words: lithium-ion battery; high nickel ternary cathode material; LiNi0.8Co0.1Mn0 O .1 2 (NCM811); modification technology; conductive additive
由于全球气候变暖备受人们广泛关注，开发可 持续能源是急需的[1-5]，在未来可持续再生能源将会
1.2 NCM811的合成方法 三元NCM811正极材料合成的关键技术在于其
锂离子电池三元高镍正极材料的改性及电化学性能研究

锂离子电池三元高镍正极材料的改性及电化学性能研究

锂离子电池三元高镍正极材料的改性及电化学性能研究摘要：为了提高锂离子电池的性能，本研究采用了化学共沉淀法制备了三元高镍正极材料。

随后，对其进行了改性处理，包括高温焙烧、表面修饰和掺杂等方法，并研究了不同改性方法对其电化学性能的影响。

结果表明，采用掺杂方法改性的三元高镍正极材料具有更好的电化学性能，其中最佳掺杂剂为钴和铁，能够显著提高其比容量和循环寿命。

关键词：锂离子电池；三元高镍正极材料；改性；电化学性能引言锂离子电池是目前最广泛应用的一种可充电电池，具有高能量密度、长循环寿命等优点。

其中正极材料是决定电池性能的关键因素之一，而三元高镍正极材料由于具有高的比容量和低的成本，在近年来受到了广泛的研究。

然而，其电化学性能仍存在一些缺陷，如循环寿命短、容量衰减等问题。

因此，如何改善其性能成为了当前研究的重要方向之一。

方法本研究采用化学共沉淀法制备了三元高镍正极材料，其中镍、钴、锰的质量比为5:3:2。

随后，对其进行了高温焙烧、表面修饰和掺杂等方法进行改性处理。

结果与讨论通过扫描电镜和透射电镜等实验手段对样品进行了形貌和结构表征，发现掺杂元素的引入能够显著改变材料的颗粒形貌和晶体结构。

同时，改性后的三元高镍正极材料具有更优异的电化学性能，在充放电容量、循环寿命等方面均有明显提高。

其中，采用掺杂方法改性的样品具有最佳的性能表现，钴和铁掺杂元素的引入能够显著提高其比容量和循环寿命，且其性能稳定性较高。

结论本研究通过对三元高镍正极材料进行改性处理，发现掺杂方法能够显著提高其电化学性能，其中最佳掺杂元素为钴和铁。

该研究为提高锂离子电池性能提供了新思路和方法。

离子电池是目前最常用的可充电电池之一，在诸多领域得到广泛应用，比如移动通信、电动汽车、储能系统等。

其中，三元高镍正极材料由于其高比容量、低成本等优点而备受研究者们的关注，然而其电化学性能仍存在不足之处，主要体现在循环寿命短、容量衰减等方面。

因此，如何提高该材料的性能成为当前研究的热点问题之一。

简洁高效的氧化硼包覆镍钴锰三元正极材料及制备方法

简洁高效的氧化硼包覆镍钴锰三元正极材料及制备方法

简洁高效的氧化硼包覆镍钴锰三元正极材料
及制备方法
《简洁高效的氧化硼包覆镍钴锰三元正极材料及制备方法》
摘要：随着电动汽车和可再生能源的快速发展，高能量密度、长循环寿命和良好安全性的电池材料需求日益增长。

本文介绍了一种简洁高效的氧化硼包覆镍钴锰三元正极材料及其制备方法。

通过氧化硼的包覆，有效地抑制了材料的结构缺陷和电子迁移，提高了电池的性能。

引言：镍钴锰三元正极材料是一种具有高能量密度和优良循环性能的电池材料。

然而，由于其材料自身存在的结构缺陷和电子迁移问题，导致其循环寿命和安全性有待提高。

因此，寻找一种简洁高效的方法来改善材料性能，是当前研究的热点。

方法：本文采用了一种简洁高效的方法来制备氧化硼包覆镍钴锰三元正极材料。

首先，将镍钴锰三元材料与氧化硼混合，并进行高温固相反应。

然后，通过磁控溅射技术将混合物沉积在导电基底上，形成包覆层。

结果与讨论：实验结果表明，经过氧化硼包覆的镍钴锰三元正极材料具有较高的比容量和循环寿命。

经过包覆后，材料的结构缺陷得到了明显改善，电子迁移得到了有效抑制。

此外，氧化硼的包覆层还提高了材料的热稳定性，使其更具安全性。

结论：本研究提出了一种简洁高效的氧化硼包覆镍钴锰三元正极材料的制备方法。

通过包覆层的形成，材料的结构缺陷和电子迁移得到有效控制，从而提高了电池的性能。

这种制备方法简单方便，有望在电动汽车和可再生能源等领域得到广泛应用。

关键词：氧化硼；镍钴锰三元正极材料；包覆；制备方法；电池材料。

长循环单晶镍钴锰三元正极材料的制备和表征

长循环单晶镍钴锰三元正极材料的制备和表征

从０ ． ２ Ｃ增加到 ２ Ｃ时 ， 放 电 比容量从 １ ５ ９ ． ６ ８ ｍＡ ｈ ／ ｇ
衰减到 １ ２ ７ ． １ ｍ Ａ ｈ ／ ｇ ， 保持率 为 ７ ９ ． ６ ％； 同等测试下 ，
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图 ５ 掺 杂 Ｍｇ ， Ｔ ｉ 前 后 样 品 的循 环 曲线 对 比 图
电效率低 、 循环 性 能差 、 倍 率 性 能不 理 想 等 问题 。本 文 主要 通过 固相 法高温烧结制备 单 晶型二 次颗粒 ， 提
高锂离子传递效率， 同时减少材料和电解液之问的界 面反应， 从而提高材料的倍率性能和循环性能 ， 并通 过镁（ Ｍ ｇ ） 、 钛（ Ｔ ｉ ） 掺杂 降低材料 阳离子 混排 程度 ， 提 高 晶体结构 的稳 定性和首 次充放 电效率 ］ 。
３ 结 论
通过 固相法 高温 烧结 进行 Ｍｇ ， Ｔ ｉ 掺 杂处 理制 备
池 正极 材料 。
量分散谱仪的 Ｊ Ｓ Ｍ 一 ８ ４ ０ Ａ型扫描 电子显微分析仪观 察 。恒 流充 放 电测 试 用 Ｌ ａ ｎ ｄ电池 测 试 系 统 （ 武 汉 金诺 电子有 限公 司 ） 。
１ ． ２ 材 料 的制备
目前 ， 镍钴 锰 （ ５ ２ ３ ） 三元 素 材料 主要 存 在首 次放
４． ３ ４． ２ ４． １
率为 ９ ２ ． ９ ％， 比掺 杂 Ｍ ｇ ， Ｔ ｉ 前提高 了 ８ ％。 由此 可 知， 单 晶颗粒在 循环 过程 中有 良好 的容 量保 持 率 ， 且 Ｍ ｇ ， Ｔ ｉ 掺杂 能够 明显地 改善单 晶颗粒 的晶体结 构 ， 抑 制材料在充 放 电过程 中产 生 的 晶格 畸 变 。由于 单 晶 颗粒大 幅度 缩小 了材 料和 电解 液之 间 的直 接接 触 面 积， 从而有效抑 制 了循环过程 中材料 和电解 液发 生的 副反应 ， 同时 ， 单 晶颗 粒有 效 减 少 了 ｈ 脱嵌 过 程 中 通过 晶界 的 次数 ， 使 循环 过 程 中 “ 脱 嵌更 加 迅 速 。 未掺杂 Ｍｇ ， Ｔ ｉ 的样 品前 ５ ０圈出现容量 回升是 因为材 料在充放 电过程 中对 晶体结构进行 了微 小调整 ， 使结 构更加稳 定 ， 利于 Ｌ ｉ 的 快 速嵌 入 和脱 出 ， 之 后 容量 快速衰减 是 因为 Ｌ ｉ 脱 嵌导致 了 晶格 的畸变 ， 破坏 了