研究背景基于富镍层状氧化物正极LiNixM1-xO2(M=Mn、Co、Al等)的锂离子电池因具有高能量密度(>350 W h kg-1)、长循环寿命(>1000次)、成本可控等优势而被广泛关注。然而,目前商业化的富镍材料,如LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(NMC811)和LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA),能量密度不足且成本高。Co和Mn被认为是富镍材料的重要离子,但Co的稀缺性和毒性以及Mn较高的溶解性限制其发展。因此,越来越多的人致力于开发镍含量不低于90 mol%的正极材料,并减少或不使用Co。因此,作者报道了一种无Co和Mn的高镍LiNi0.93Al0.05Ti0.01Mg0.01O2(NATM)正极材料,表现出卓越的电化学性能、结构坚固性和更好的热稳定性。成果简介德克萨斯大学奥斯汀分校Arumugam Manthiram教授团队研究了一种不含Co和Mn的高镍LiNi0.93Al0.05Ti0.01Mg0.01O2(NATM)正极,在全电池800次长循环中表现出82%的容量保持率,超过了两种商业化富镍正极LiNi0.94Co0.06O2(NC,52%)和LiNi0.90Mn0.05Co0.05O2(NMC,60%)。该工作以“A Cobalt- and Manganese-Free High-Nickel Layered Oxide Cathode for Long-Life, Safer Lithium-Ion Batteries”为题发表在Advanced Energy Materials期刊上。研究亮点1. 无Co和Mn含量的富镍正极材料LiNi0.93Al0.05Ti0.01Mg0.01O2(NATM),表现出卓越的电化学性能、结构坚固性和更好的热稳定性;2. 具体阐明了NATM中Ti的空间分布、表面晶格重建和体积结构退化,及正极-电解质相间(CEI)的可视化和定量分析;图文导读
图8 在相同比容量(220mA h g−1)下,NC、NMC和NATM正极材料的DSC剖面。富镍层状氧化物正极的热稳定性较差,这对于满足锂基电池运行的安全要求仍然是一个关键的障碍。有鉴于此,作者通过差示扫描量热法(DSC)对三种正极材料的热稳定性进行了评估。通过对所有的正极电极充电到220 mA h g-1的相同的比容量(即大约80%的锂去除率)来实现适当的比较。如图8所示,NC、NMC和NATM的放热峰的温度分别位于180、190和213 ℃。同时,带电的NC、NMC和NATM样品与注入的电解液之间反应释放的热量分别为1386、1021和854 J g-1。放热峰值温度的升高以及热量释放的抑制,表明NATM的热稳定性优于其他两种富镍正极。总结与展望在这项工作中,作者系统地研究和比较了锂离子电池中不含Co和Mn的富镍正极材料LiNi0.93Al0.05Ti0.01Mg0.01O2与富镍、含Co的正极LiNi0.94Co0.06O2和含Mn的正极LiNi0.90Mn0.05Co0.05O2。将丰富而廉价的元素(Al、Ti和Mg)结合到基于LiNiO2的正极中,可以在结构完整性、相互作用力方面具有优势。 与广泛使用的含Co/Mn的正极LiNi1-x-yMnxCoyO2相比,NATM的相位稳定性、热性能和成本问题都得到了改善。同时,NATM电池的正极到负极的过渡金属交叉大大减少,这主要是因为富含Ti的正极表面和精心设计的无Mn成分。Al、Ti和Mg的组合可以应用于现有的富镍正极材料,产生一系列有前景的成分,如LiNi0.81Co0.06Mn0.06Al0.05Ti0.01Mg0.01O2和LiNi0.90Co0.03Al0.05Ti0.01Mg0.01O2。结合进一步的改性,例如表面涂层、功能性粘合剂和新型电解质,NATM及其衍生物有望比最先进的LiNi1-xMnxCoyO2和LiNi1-xCoxAlyO2正极表现出更好的实际可行性。最后,利用锂同位素标记方法与TOF-SIMS制图相结合,可以直接观察和比较表面稳定性和CEI的形成,这大大促进了循环时电极-电解质相互作用的理解。文献链接A Cobalt- and Manganese-Free High-Nickel Layered Oxide Cathode for Long-Life, Safer Lithium-Ion Batteries. (Adv. Energy Mater., DOI: 10.1002/aenm.202102421)文献链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202102421清新电源投稿通道(Scan)