鋰離子電池關(guān)鍵材料有哪些？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-09-05 09:22
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一、正極材料
正極材料是制造鋰離子電池關(guān)鍵材料之一，其性能直接影響電池的各項(xiàng)指標(biāo)，而材料的結(jié)構(gòu)對鋰離子電池的低溫性能具有重要的影響。
橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4放電比容量高、放電平臺平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、循環(huán)性能優(yōu)異、原料豐富等優(yōu)點(diǎn)，是鋰離子動力電池主流正極材料。但是磷酸鐵鋰屬于Pnma空間群，P占據(jù)四面體位置，過渡金屬M(fèi)占據(jù)八面體位置，Li原子沿[010]軸一維方向形成遷移通道，這種一維的離子通道導(dǎo)致了鋰離子只能有序地以單一方式脫出或者嵌入，嚴(yán)重影響了鋰離子在該材料中的擴(kuò)散能力。尤其在低溫下本體中鋰離子的擴(kuò)散進(jìn)一步受阻造成阻抗增大，導(dǎo)致極化更加嚴(yán)重，低溫性能較差。
鎳鈷錳基LiNixCoyMn1-x-yO2是近年來開發(fā)的一類新型固溶體材料，具有類似于LiCoO2的α-NaFeO2單相層狀結(jié)構(gòu)。該材料具有可逆比容量高，循環(huán)穩(wěn)定性好、成本適中等重要優(yōu)點(diǎn)，同樣在動力電池領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了成功應(yīng)用，并且應(yīng)用規(guī)模得到迅速發(fā)展。但是也存在一些亟需解決的問題，如電子導(dǎo)電率低、大倍率穩(wěn)定性差，尤其是隨著鎳含量的提高，材料的高低溫性能變差等問題。
富鋰錳基層狀正極材料具有更高的放電比容量，有望成為下一代鋰離子電池正極材料。然而富鋰錳基在實(shí)際應(yīng)用中存在諸多問題：首次不可逆容量高，在充放電的過程中易由層狀結(jié)構(gòu)向尖晶石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，使得Li+的擴(kuò)散通道被遷移過來的過渡金屬離子堵塞，造成容量衰減嚴(yán)重，同時(shí)本身離子以及電子導(dǎo)電性不佳， 導(dǎo)致倍率性能和低溫性能不佳。
改善正極材料在低溫下離子擴(kuò)散性能的主流方式有：
1 采用導(dǎo)電性優(yōu)異的材料對活性物質(zhì)本體進(jìn)行表面包覆的方法提升正極材料界面的電導(dǎo)率，降低界面阻抗，同時(shí)減少正極材料和電解液的副反應(yīng)，穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)。
Rui等采用循環(huán)伏安和交流阻抗法對碳包覆的LiFePO4的低溫性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低其放電容量逐漸降低，-20°C時(shí)容量僅為常溫容量的33%。作者認(rèn)為隨著溫度降低，電池中電荷轉(zhuǎn)移阻抗和韋伯阻抗逐漸變大，CV曲線中的氧化還原電位的差值增大，這表明在低溫下鋰離子在材料中的擴(kuò)散減慢， 電池的法拉第反應(yīng)動力學(xué)速率減弱造成極化明顯增大。
Lv等設(shè)計(jì)合成了一種快離子導(dǎo)體包覆鎳鈷錳酸鋰的復(fù)合正極材料，該復(fù)合材料顯示出優(yōu)越的低溫性能和倍率性能，在-20°C仍保持127.7mAh·g-1的可逆容量，遠(yuǎn)優(yōu)于鎳鈷錳酸鋰材料86.4mAh·g-1。通過引入具有優(yōu)異離子電導(dǎo)率的快離子導(dǎo)體來有效改善Li+擴(kuò)散速率，為鋰離子電池低溫性能改善提供了新思路。
2 通過Mn、Al、Cr、Mg、F等元素對材料本體進(jìn)行體相摻雜，增加材料的層間距來提高Li+在本體中的擴(kuò)散速率，降低Li+的擴(kuò)散阻抗，進(jìn)而提升電池的低溫性能。
Zeng等采用Mn摻雜制備碳包覆的LiFePO4正極材料，相比原始LiFePO4，其在不同溫度下的極化均有一定程度的減小，顯著提升材料低溫下的電化學(xué)性能。Li等對LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2材料進(jìn)行Al摻雜，發(fā)現(xiàn)Al增大了材料的層間距，降低了鋰離子在材料中的擴(kuò)散阻抗，使其在低溫下的克容量大大提高。
磷酸鐵鋰正極材料在充電過程從磷酸鐵鋰相至磷酸鐵相間的相轉(zhuǎn)變比放電過程從磷酸鐵相至磷酸鐵鋰相間的相轉(zhuǎn)變更緩慢，而Cr摻雜可促進(jìn)放電過程從磷酸鐵相至磷酸鐵鋰相間的相轉(zhuǎn)變，從而改善LiFePO4的倍率性能和低溫性能。
3 降低材料粒徑，縮短Li+遷移路徑。需要指出的是，該方法會增大材料的比表面積從而與電解液的副反應(yīng)增多。
Zhao等研究了粒徑對碳包覆LiFePO4材料低溫性能的影響，發(fā)現(xiàn)在-20°C下材料的放電容量隨著粒徑的減小而增大，這是因?yàn)殇囯x子的擴(kuò)散距離縮短， 使脫嵌鋰的過程變得更加容易。Sun等研究表明，隨著溫度的降低LiFePO4的放電性能顯著降低，粒徑小的材料具有較高的容量和放電平臺。
二、電解液
電解液作為鋰離子電池的重要組成部分，不僅決定了Li+在液相中的遷移速率，同時(shí)還參與SEI膜形成，對SEI膜性能起著關(guān)鍵性的作用。低溫下電解液的黏度增大，電導(dǎo)率降低，SEI膜阻抗增大，與正負(fù)極材料間的相容性變差，極大惡化了電池的能量密度、循環(huán)性能等。
目前，通過電解液改善低溫性能有以下兩種途徑：
1. 通過優(yōu)化溶劑組成，使用新型電解質(zhì)鹽等途徑來提高電解液的低溫電導(dǎo)率；
2. 使用新型添加劑改善SEI膜的性質(zhì)，使其有利于Li+在低溫下傳導(dǎo)。
1 優(yōu)化溶劑組成
電解液的低溫性能主要是由其低溫共熔點(diǎn)決定，若熔點(diǎn)過高，電解液易在低溫下結(jié)晶析出，嚴(yán)重影響電解液的電導(dǎo)率。碳酸乙烯酯（EC）是電解液主要溶劑組分，但其熔點(diǎn)為36°C，低溫下在電解液中溶解度降低甚至析出，對電池的低溫性能影響較大。通過加入低熔點(diǎn)和低黏度的組分，降低溶劑EC含量，可以有效降低低溫下電解液的黏度和共熔點(diǎn)，提高電解液的電導(dǎo)率。
Kasprzyk等通過EC和聚(乙二醇)二甲醚兩種溶劑混和獲得非晶態(tài)電解液，僅在-90°C附近出現(xiàn)了一個玻璃化轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)，這種非晶態(tài)的電解液極大地提高了電解液在低溫下的性能；在-60°C下，其電導(dǎo)率仍然能夠達(dá)到0.014mS·cm-1，為鋰離子電池在極低溫度下使用提供了一個良好的解決方案。
鏈狀羧酸酯類溶劑具有較低的熔點(diǎn)和黏度，同時(shí)它們的介電常數(shù)適中，對電解液的低溫性能具有較好的影響。Dong等采用乙酸乙酯(EA) 作為共溶劑，雙三氟甲基磺酸亞胺鋰作為電解質(zhì)鹽，該電解液的理論熔點(diǎn)達(dá)到-91°C，沸點(diǎn)達(dá)到81°C。結(jié)果表明，該電解液即便是在-70°C的極限低溫下，離子電導(dǎo)率仍達(dá)到0.2mS·cm-1，結(jié)合有機(jī)物電極作為正極和1,4,5,8-萘酐衍生的聚酰亞胺作為負(fù)極，該電池在-70°C下仍然具有常溫容量的70%。
Smart等對鏈狀羧酸酯類作為電解液共溶劑提高電池的低溫性能做了大量研究。研究表明，以乙酸乙酯、丙酸乙酯、乙酸甲酯、丁酸甲酯作為電解液共溶劑有利于電解液低溫電導(dǎo)率的提高，極大地改善了電池的低溫性能。
2 新型電解質(zhì)鹽
電解質(zhì)鹽是電解液的重要組成之一，也是獲得優(yōu)良低溫性能的關(guān)鍵因素。目前，商用電解質(zhì)鹽是六氟磷酸鋰，形成的SEI膜阻抗較大，導(dǎo)致其低溫性能較差，新型鋰鹽的開發(fā)迫在眉睫。四氟硼酸鋰陰離子半徑小，易締合，電導(dǎo)率較LiPF6低，但是低溫下電荷轉(zhuǎn)移阻抗小，作為電解質(zhì)鹽具有良好的低溫性能。
Zhang等以LiNiO2/石墨為電極材料，研究發(fā)現(xiàn)低溫下LiBF4的電導(dǎo)率低于LiPF6，但其低溫-30°C的容量為常溫容量的86%，而LiPF6基電解液僅為常溫容量的72%，這是由于LiBF4基電解液的電荷轉(zhuǎn)移阻抗較小，低溫下的極化小，因此電池的低溫性能較好。然而LiBF4基電解液無法在電極界面形成穩(wěn)定的SEI膜，造成容量衰減嚴(yán)重。
二氟草酸硼酸鋰(LiODFB)作為鋰鹽的電解液在高低溫條件下都具有較高的電導(dǎo)率， 使鋰離子電池在寬溫度范圍內(nèi)展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。Li等研究發(fā)現(xiàn)LiODFB/LiBF4-EC/DMS/EMC電解液在低溫下具有良好的低溫性能，測試表明石墨/Li扣式電池在低溫-20°C，0.5C循環(huán)20周后容量保持率為：LiODFB/LiBF4EC/DMS/EMC (53.88%) > LiPF6EC/DEC/DMC/EMC (25.72%) ，前者容量保持率遠(yuǎn)高于后者，該電解液在低溫環(huán)境下具有良好的應(yīng)用前景。
LiTFSI作為新型鋰鹽具有高的熱穩(wěn)定性，陰陽離子的締合度小，在碳酸酯體系中具有高的溶解度和解離度。在低溫情況下，LiFSI體系電解液較高的電導(dǎo)率和較低的電荷轉(zhuǎn)移阻抗保證了其低溫性能。Mandal等采用LiTFSI作為鋰鹽，EC/DMC/EMC/PC(質(zhì)量比15：37：38：10)為基礎(chǔ)溶劑，所得電解液在-40°C下仍具有2mS·cm-1的高電導(dǎo)率。
3 添加劑
SEI膜對電池的低溫性能有很重要的影響，它是離子導(dǎo)體和電子絕緣體，是Li+從液相到達(dá)電極表面的通道。低溫時(shí)，SEI膜阻抗變大，Li+在SEI膜中的擴(kuò)散速率急劇降低， 使得電極表面電荷累積程度加深，導(dǎo)致石墨嵌鋰能力下降，極化增強(qiáng)。通過優(yōu)化SEI膜的組成及成膜條件，提高SEI膜在低溫下的離子導(dǎo)電性有利于電池低溫性能的提高， 因此開發(fā)低溫性能優(yōu)異的成膜添加劑是目前的研究熱點(diǎn)。
Liu等研究了以FEC作為電解液添加劑對電池低溫性能的影響，研究結(jié)果表明，石墨/Li半電池在-20°C低溫下，添加2%FEC的電解液比基礎(chǔ)電解液在-20°C首次放電時(shí)容量增加了50%， 且充電平臺降低了0.2V左右。XPS 測試表明，添加FEC電解液所形成的SEI膜中比未添加FEC的電解液所形成的SEI膜中的LiF的含量高，其有利于低溫下SEI膜的阻抗的降低，進(jìn)而提高了電池的低溫性能。
Yang等研究發(fā)現(xiàn)添加LiPO2F2能夠顯著改善LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/石墨軟包電池的低溫性能，含LiPO2F2電解液電池在低溫0°C和-20°C循環(huán)100周后容量保持率分別為96.7%和91%，而基礎(chǔ)電解液在循環(huán)100周后容量保持率僅為20.1%和16.0%。對LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/Li和全電池及石墨/Li半電池進(jìn)行EIS測試，結(jié)果表明添加LiPO2F2能夠顯著降低石墨負(fù)極SEI膜阻抗和電荷轉(zhuǎn)移阻抗，減小低溫下的極化。
Liao等研究表明電解液中BS（butyl sultone, BS）的加入有利于低溫下電池放電容量 和倍率性能的提高， 其采用EIS、XPS等手段對BS的作用機(jī)理進(jìn)行了深入的探討。在-20°C下，添加BS后阻抗RSEI和Rct分別由4094Ω、8553Ω降至3631Ω、3301Ω，表明 BS的加入提高了鋰離子的電荷轉(zhuǎn)移速率，大大降低了低溫下的極化。XPS測試表明 BS有利于SEI膜的形成，其能形成具有低阻抗的含硫化合物，同時(shí)降低了SEI膜中Li2CO3的含量，降低了SEI膜阻抗，同時(shí)提高了SEI膜的穩(wěn)定性。
綜上所述，電解液的電導(dǎo)率和成膜阻抗對鋰離子電池的低溫性能有重要的影響。對于低溫型電解液，應(yīng)從電解液溶劑體系、鋰鹽和添加劑三方面綜合進(jìn)行優(yōu)化。對于電解液溶劑，應(yīng)選擇低熔點(diǎn)、低黏度和高介電常數(shù)的溶劑體系，線性羧酸酯類溶劑低溫性能優(yōu)異，但其對循環(huán)性能影響較大，需匹配介電常數(shù)高的環(huán)狀碳酸酯如EC、PC共混使用；對于鋰鹽和添加劑，主要從降低成膜阻抗方面考慮，提高鋰離子的遷移速率. 另外，低溫下適當(dāng)提高鋰鹽濃度能提高電解液的電導(dǎo)率， 提高低溫性能。
