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Hubert A. Gasteiger机理研究新作:NCM811/石墨电池高电压下电解液分解研究

Hubert A. Gasteiger机理研究新作:NCM811/石墨电池高电压下电解液分解研究

Hubert A. Gasteiger机理研究新作:NCM811/石墨电池高电压下电解液分解研究

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研究背景

2019年被称为NCM811应用元年,CATL NCM811电池量产并声称已经解决安全问题,吉利几何A、广汽AionS、蔚来ES6和华晨宝马X1 PHEV相继使用NCM811电池。NCM811的最大优势在于能量密度高,但高镍属性又决定了其安全性和产气问题较为突出。相比于NCM523可以将上限电压提高到4.3-4.4 V,目前NCM811上限电压为4.2 V,上限电压进一步提高电池产气严重,困难重重。要想搞定高电压三元电池,弄清其中的失效机理必不可少。

德国慕尼黑工业大学Hubert A. Gasteiger课题组近年来利用在线电化学质谱(OEMS, on-line electrochemical mass spectrometry)在NCM电池机理研究方面取得了突出成果[1-3]。OEMS的优势在于可在线实时获取电池中电化学信号和气体成分信息,二者的结合可以揭示电池内部的化学反应机理。最近,Hubert A. Gasteiger课题组美国罗德岛大学Brett L. Lucht组合作,利用包括OEMS在内的多种电化学手段对NCM811电池电解液在高电压下的氧化分解机理进行了研究,成果以Understanding Electrolyte Decomposition of Graphite/NCM811 Cells at Elevated Operating Voltage为题发表在Journal of The Electrochemical Society上。

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研究亮点

系统、深入揭示了4.6 V高电压下NCM811电池电解液分解过程。

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图文浅析

Hubert A. Gasteiger机理研究新作:NCM811/石墨电池高电压下电解液分解研究 

图1. NCM811/石墨电池上限电压分别为4.2 V和4.4 V时电化学性能对比。

首先,作者对比了NCM811/石墨电池上限电压分别为4.2 V和4.4 V时电化学性能的差异。如图1a所示,当上限电压为4.2 V时,电池的初始放电容量约190 mAh/g,循环100周容量保持率接近100%;而当上限电压为4.6 V,电池的初始放电容量虽然提高至221 mAh/g,但同样循环100周容量保持率仅有89%,容量仅比4.2 V循环100周高9 mAh/g。在图1b可以看到,上限电压4.2 V循环100周最高电位峰值从初始的4.10 V移动至4.05 V,而上限电压4.6 V循环100周最高电位峰值从初始的4.10 V移动至3.98 V,表明上限电压4.6 V循环电池材料的变化更大。

Hubert A. Gasteiger机理研究新作:NCM811/石墨电池高电压下电解液分解研究

图2. 上限电压分别为4.2 V和4.6 V时的EIS对比

紧接着,作者对比了上限电压4.2 V和4.6 V循环电化学阻抗谱结果。如图2a和图2b所示,上限电压4.6 V首周循环全电池阻值较4.2 V高约33 Ω,上限电压4.6 V循环100周后阻值提高至197 Ω,而4.2 V阻止没有显著变化。图2c和图2d对称电池EIS结果则显示上限电压分别为4.2 V和4.6 V首周循环正极阻值增加明显,而负极阻值几乎相同,由此表明提高上限电压全电池阻值增大的主要来源是正极。

Hubert A. Gasteiger机理研究新作:NCM811/石墨电池高电压下电解液分解研究

图3. NCM811/石墨电池前两周循环OEMS表征。电解液为LP57,EC:EMC=3:7,LiPF6浓度为1 M。

    随后作者利用OEMS对NCM811/石墨电池前两周循环产气行为进行了分析。如图3所示,不论上限电压4.2 V或4.6 V,首次充电均能检测到C2H4和CO,这主要是EC和EMC还原所产生的。此外,循环过程能检测到DEC和DMC,二者源于EMC的酯交换反应所生成。当上限电压从4.2 V提高至4.6 V,CO2、O2和H2量均大幅增加。结合前人的研究认识,由于上限电压提高,正极材料循环过程结构变化加剧,O2释放量增加。释放的O2又会同电解液反应加剧电解液的氧化,进而产生更多的CO2。电解液氧化产生的质子H扩散至负极还原形成H2

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图4. (a)全电池分别3.0-4.2 V和3.0-4.6 V循环100周后电解液成分分析对比;(b)全电池分别3.0-4.2 V和3.0-4.6 V循环1周、2周和100周后电解液中DEC和DMC含量对比。

如图4a所示,新鲜LP57电解液溶剂成分仅含EC和EMC,上限电压4.2 V和4.6 V循环后电解液中除了EC和EMC还能检测到DMC、DEC和寡碳酸盐。如上文所示,DEC和DMC来源于EMC的酯交换反应,而寡碳酸盐则来源于EC的酯交换反应。如图4b所示,随着循环周数的增加,电解液中DEC和DMC含量不断提高,但二者浓度最显著的变化来自首周循环。从图4b还可以看到,首周循环后DEC和DMC浓度似乎与上限电压无关,但随着循环周数的继续进行,循环上限电压越高DEC和DMC浓度也越高。由此表明上限电压对酯交换反应产物的初始形成影响不明显,但对后续累积形成有明显影响。

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图5. 上限电压分别为4.2 V和4.6 V时循环后的石墨负极XPS表征。

最后,作者利用XPS对上限电压4.2 V和4.6 V循环后的石墨负极进行了表征。如图5所示,新鲜石墨负极可以观察到石墨(284.2 eV)、碳氢化合物/SBR(284.8 eV)和CMC(286.9和288.5 eV)的特征峰。但随着循环的进行,该三者的特征峰强度逐步降低甚至不可见,而-CO2和-CO3的特征峰开始出现,表明循环后石墨负极表面确实形成了SEI膜。此外,新鲜石墨负极表面没有观察到含氟物质和含磷物质的特征峰,但循环后尤其是上限电压4.6 V循环后,石墨负极表面能检测到LiF (684.9 eV)和LixPFyOz (687.0 eV)的特征峰。更为重要的是,新鲜石墨负极无Ni特征峰,但上限电压4.2 V和4.6 V循环后石墨负极表面Ni特征峰非常明显。值得注意的是,以上循环后新物质特征峰强度随着上限电压提高而增强,表明随着上限电压提高电池副反应加剧,且正极溶出的Ni离子会扩散至负极并在负极沉积。

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小结

(1) 随着循环上限电压的提高,NCM811/石墨电池正极结构破坏和副反应加剧,CO2、H2、O2气体量不断增加,正极溶出的Ni离子扩散至负极并在负极沉积;

(2) 随着循环上限电压的提高,NCM811/石墨电池阻值的增大主要源于正极。

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论文信息

Nina Laszczynski, Sophie Solchenbach, Hubert A. Gasteiger, Brett L. Lucht. Understanding Electrolyte Decomposition of Graphite/NCM811 Cells at Elevated Operating Voltage. Journal of The Electrochemical Society, 166 (10) A1853-A1859 (2019).

原文链接:

http://jes.ecsdl.org/content/166/10/A1853.short?rss=1

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参考文献

[1] S. Solchenbach, M. Metzger, M. Egawa, H. Beyer, H. A. Gasteiger. Quantification of PF5 and POF3 from Side Reactions of LiPF6in Li-Ion Batteries, Journal of The Electrochemical Society, 165 (13) A3022-A3028 (2018).

[2] Anna T. S. Freiberg, Matthias K. Roos, Johannes Wandt, Regina de Vivie-Riedle, Hubert A. Gasteiger. Singlet Oxygen Reactivity with Carbonate Solvents Used for Li-Ion Battery Electrolytes. The Journal of Physical Chemistry A, 2018, 122 (45): 8828–8839.

[3] Johannes Wandt, Anna T.S. Freiberg, Alexander Ogrodnik, Hubert A. Gasteiger. Singlet oxygen evolution from layered transition metal oxide cathode materials and its implications for lithium-ion batteries. Materials Today, 2018, 21(8):825-833.

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人丨景云

主编丨张哲旭


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