隨著對高能量密度和高功率密度鋰離子電池需求的不斷增長，高性能正極材料在電動汽車和混合動力汽車中的應(yīng)用受到了極大的關(guān)注。在各種正極材料中，LiNi1-x-yCoxMnyO2材料表現(xiàn)出了多個優(yōu)點，如低成本、高容量、良好的循環(huán)穩(wěn)定性和安全性能。在這一體系中，富鎳的層狀LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2（NCM）有著優(yōu)異的極小溫度依賴性的鋰離子擴散能力，是一種高電位正極材料。

 

　　近日，天津師范大學(xué)孫學(xué)良教授課題組在Nano Energy發(fā)表了題為“Significantly Improving Cycling Performance of Cathodes in Lithium Ion Batteries: The Effect of Al2O3 and LiAlO2 Coatings on LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2”的研究論文，成功設(shè)計出了一種NCM正極的超薄鋰鋁氧化物（LiAlO2）涂層，與Al2O3相比，它能明顯提升NCM在高截止電壓4.5/4.7 V下的性能。研究表明，包覆有LiAlO2的NCM能在每次循環(huán)衰減0.078%、循環(huán)350次后，保持超149 mA h g-1的可逆容量。而且LiAlO2涂覆的NCM表現(xiàn)出了比Al2O3涂覆的NCM更高的倍率性能。

 

(i) NCM， (ii)Al-O-1， (iii)Li-Al-O-1， (iv)Al-O-4， (v)Li-Al-O-4， (vi)Al-O-6， (vii) Li-Al-O-6

 

　　注：文中將摩爾濃度分別為0.125，0.25，0.60，1.25，2.5和12.5 mol% LiAlO2所涂覆的正極材料標記為Li-Al-O-1，2，3，4，5，6；同理，Al-O-1，2，3，4，5，6分別代表不同摩爾濃度的Al2O3所涂覆的正極材料。

 

圖2 Al-O-4和Li-Al-O-4的XPS圖譜及擬合結(jié)果

 

（a）原始的XPS測量圖譜；（b）鎳的圖譜；（c）鈷的圖譜；（d）錳的圖譜；（e）鋰的圖譜；（f）鋁的圖譜

 

圖3 SEM圖像

 

(a)NCM， （b）Al-O-2， (c)Li-Al-O-2， (d)Al-O-4， (e) Li-Al-O-4， (f) Al-O-5，  (g) Li-Al-O-5， (h)Al-O-6， (i)Li-Al-O-6

 

圖4 Al-O-4和Li-Al-O-4的EDS能譜圖比較

 

 

圖5 Al-O-4和Li-Al-O-4的HRTEM圖像

 

（a）Al-O-4，（b）Li-Al-O-4

 

圖6 電化學(xué)性能測試

 

　?。╝）NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的初始充放電曲線；

　?。╞，c，d）在0.1mV s-1的掃描速率下的電流電壓曲線比較。

 

圖7 電化學(xué)性能測試

 

　　（a，b，c）NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的恒流放電曲線；

　?。╠）NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的電化學(xué)極化電壓曲線。

 

圖8 電化學(xué)性能測試

 

　　（a）電壓范圍為2.7–4.5V vs.Li/Li+，在0.2C(50mA g-1)速率的條件下NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的循環(huán)性能；

　?。╞）電壓范圍為2.7–4.5V vs.Li/Li+，25-750mA g-1的范圍，不同電流密度下NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的倍率；

　?。╟）電壓范圍為2.7–4.7V vs.Li/Li+，電流密度為0.2C，NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的循環(huán)性能；

　　（d）電壓范圍為2.7–4.7V vs.Li/Li+，25-750mA g-1的范圍，不同電流密度下NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的倍率；

　?。╡）2.7–4.5V vs.Li/Li+的電化學(xué)窗口，NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的循環(huán)性能的比較。

 

圖9 CV曲線

 

　　（a，b，c）NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2在不同掃描速率下的電流電壓曲線；

　?。╠）電流極值ip和掃描速率的平方根v1/2的關(guān)系。

 

圖10 NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的Nyquist 圖及擬合數(shù)據(jù)

 

　?。╝）第1次循環(huán)；

　?。╞）第30次循環(huán)；

　?。╟）等效電路圖

 

　　本項研究成功設(shè)計了增強離子傳導(dǎo)性的超薄鋁酸鋰薄膜，通過溶膠凝膠過程涂敷在NCM正極材料上，并以非離子導(dǎo)電Al2O3界面涂層為對比，對其性能進行了研究。這兩類涂層都有一定的局限性，如結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、金屬離子的溶解和電解質(zhì)的分解。然而，和Al2O3涂層相比，可控的超薄LiAlO2涂層在提升NCM正極材料的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能方面更加有效。這要歸因于平均放電電壓的穩(wěn)定，特別是在高截止電壓和電流密度下。因此，這項研究表明了鋰離子導(dǎo)電薄膜的利用為構(gòu)建高性能正極材料提供了機會。