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LVO@C-LNMO 高能全电池

LVO@C-LNMO 高能全电池

目前商业锂离子电池常用的负极材料是石墨。但由于SEI膜的形成,引起严重的安全问题,并且其低的Li扩散系数而导致差的电化学性能。有研究称氧化物插入宿主是比较好的负极,因为它们的密度通常大于石墨,具有更高的体积能量密度。最近报道称,正交Li3VO4(LVO)是一个很好的选择。更重要的是,LVO的理论体积容量为1047 mAh/cm^3,高于石墨790 mAh/cm^3,这是一个明显的改善。但是,尽管LVO具有高离子导电性,但电子导电率低,这导致差的倍率性能。提高LVO倍率性能的常用方法是合成纳米级LVO颗粒,减少锂离子和电子的输送距离。不幸的是,纳米尺寸的材料又会造成密度低的问题,并显著降低了电池的体积能量密度。

LVO@C-LNMO 高能全电池

图1. LVO@C球体合成示意图。

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图2. LVO@C球体的材料表征。a)XRD图案;b,c)SEM图像;d-f)TEM图像;g-j)元素映射: TEM图像(g)和相应(h)V、(i)O和(j)C的EDX图。

 

近期,中国科技大学的余彦教授通过形态学-遗传途径合成了一种碳层包覆纳米级Li3VO4球体。与LiNi0.5Mn1.5O4正极组合的锂离子全电池,显示出比现有系统更好的电化学性能。全电池以0.2C的电流充放电可提供385 mAh/g的容量,这接近于LVO的理论容量。随着电流的增加,放电容量缓慢下降,并在连续循环时保持稳定。即使在15和20C的高倍率下,分别具有271 mAh/g(0.2C容量的70%)和244 mAh/g(0.2C容量的63%)的高容量,表明LVO//LNMO 全电池具有卓越的倍率性能。

LVO@C-LNMO 高能全电池

图3. LVO/LNMO电池的电化学性能;a)全电池示意图;b)0.2C倍率下正负极各自的充放电曲线;c)差分容量对电压曲线;d)LVO/LNMO全电池的充放电曲线; 以1C速率充电,以0.2至20C的各种电流放电;e)倍率性能;f)在3C倍率下的循环稳定性

 

作者对LVO@C球体优异的锂储存性能归因于以下设计特征:

  • 通过原位形成碳壳有效地抑制了LVO颗粒的生长,缩短了离子和电子的扩散距离

  • 在LVO球体上碳涂层的均匀分布有效地提高了复合材料的电子导电性

  • 多孔结构使得更有活性的材料接触电解液,这有利于Li+的快速转移。

作者通过形态遗传学方法合成的亚微米级LVO@C球体具有先进的电化学性能,对下一代大功率电池具有很大的商业前景,并且LVO//LNMO系统可能成为大规模储能应用系统的合适候选者。

 

Laifa Shen, Shuangqiang Chen, JoachimMaier, and Yan Yu; Carbon-Coated Li3VO4 Spheres as Constituents of an Advanced Anode Material for High-Rate Long-Life Lithium-Ion Batteries; DOI:10.1002/adma.201701571


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