三元單晶是鋰電池正極材料的未來(lái)嗎？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-07 09:07
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隨著新能源行業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)動(dòng)力電池的要求也越來(lái)越高，隨之而來(lái)的三元材料中鎳含量的提升，但由此帶來(lái)的正極材料穩(wěn)定性問(wèn)題、電解液匹配問(wèn)題、大電流充電溫升過(guò)高等引發(fā)的電池失效也越來(lái)越受到人們的關(guān)注，因此，單晶材料應(yīng)運(yùn)而生，不僅僅增強(qiáng)了正極材料的穩(wěn)定性，也可以將整個(gè)體系的電壓提升到一個(gè)新的高度，在更高鎳材料并未完全占領(lǐng)市場(chǎng)的情況下，為更高能量密度的需求提出了一個(gè)解決方案。
同時(shí)，還提供了另外一種三氧化二鋁包覆的NCM523，通過(guò)這三種材料的性能和結(jié)構(gòu)對(duì)比，來(lái)展示單晶材料的優(yōu)缺點(diǎn)以及未來(lái)的發(fā)展方向。
UC（未包覆）和SC（單晶）的XRD測(cè)試數(shù)據(jù)如上圖所示，左圖表面兩種材料的晶格參數(shù)非常的相似，右圖為局部放大圖，SC-532樣品中（104）反射的Kα1和Kα2峰與UC-532樣本相比，具有更窄的峰值寬度，這表明SC-532與UC-532相比具有更大的晶粒尺寸。
為了進(jìn)一步確認(rèn)單晶顆粒的結(jié)構(gòu)特征，分別對(duì)SC材料進(jìn)行了縱剖面SEM、電子背散射衍射等測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，材料中的單晶還是很多的，一些大顆粒含有少量的多晶結(jié)構(gòu)。
另外，對(duì)三種材料進(jìn)行了不同電壓的扣電半電池測(cè)試以及容量微分曲線的分析，測(cè)試結(jié)果如下所示，單晶材料的容量和不可逆容量并沒(méi)有體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，三種材料的曲線也是比較相似的，沒(méi)有太明細(xì)的區(qū)別，這就說(shuō)明將材料做出單晶并沒(méi)有從本質(zhì)上改變材料的內(nèi)部特性。
上圖展示的是不同化學(xué)計(jì)量比、不同燒結(jié)溫度下材料的形貌變化，從圖中可以看出，在燒結(jié)溫度為970℃，化學(xué)計(jì)量比為1.25時(shí)，材料展示出了較好的晶型，溫度太高或者太低、化學(xué)計(jì)量比的變化，都會(huì)影響材料的形貌。
將三種材料和石墨組裝成小軟包電池，添加不同的電解液添加劑，然后對(duì)電池進(jìn)行循環(huán)性能測(cè)試，單晶材料在不同的添加劑情況下都表現(xiàn)出了良好的庫(kù)倫效率，另外也可以看出，PES211這種添加劑具有較好的循環(huán)性能。
利用原位的方法測(cè)量電池在高電壓下的產(chǎn)氣行為，結(jié)果表明，單晶材料的產(chǎn)氣較少，表明材料具有良好的穩(wěn)定性。
采用PES211電解質(zhì)的SC-532和AC-532電池用等溫微量量熱法研究，通過(guò)分離寄生熱流的寄生反應(yīng)，測(cè)量來(lái)自細(xì)胞的熱流。當(dāng)電流被應(yīng)用于一個(gè)單元時(shí)，測(cè)量的熱流來(lái)自電壓極化以及熵。在3.9 V和4.2 V之間，黑線顯示總測(cè)量值。在充電（固體）和放電（虛線）中的熱流，綠色和藍(lán)線顯示過(guò)熱流，紅線顯SC523在所有電壓下具有比AC-532細(xì)胞更低的平均寄生熱流。這表明SC-532電池應(yīng)該具有更長(zhǎng)的壽命。
圖中可以看出對(duì)所有帶電電極材料均觀察到200和350℃。峰值電荷隨荷電狀態(tài)的增加而增大。
電極材料（電池的上限截止電壓越高）。這個(gè)從帶電材料的大部分中釋放氧氣是相關(guān)的。隨著NMC532從層狀（LyxMO2，M= Ni）的降解，
Mn和Co）結(jié)構(gòu)為巖鹽（LIXM1-XO）結(jié)構(gòu)。9E和9F顯示小氧釋放峰以80℃為中心。檢測(cè)AC-532和UC-532材料的電荷和峰，隨著上限截止電壓的增加，強(qiáng)度顯著增加。相反，這個(gè)峰值沒(méi)有檢測(cè)到帶電SC-532樣品。通過(guò)阿倫尼烏斯動(dòng)力學(xué)，使表面氧釋放速率。例如，即使在40℃也不為零。在電解質(zhì)中，氧原子或自由基可能與電解質(zhì)反應(yīng)之前O2分子可以形式。荷電鈧在80℃時(shí)氧釋放峰的缺失532個(gè)樣品表明帶電單晶NMC532材料與電解質(zhì)相互作用時(shí)具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性多晶NMC532材料。
