Nano Lett. 核壳材料Li(NixMnyCoz)O2@LiFePO4作锂离子电池正极材料中对称的Li+通道能提高其高电压循环稳定性

【引言】

基于层状过渡金属氧化物的三元合成的正极材料(Li[Ni_xMn_yCo_z]O₂,NMC或者NMCxyz)和最早的商业化正极材料LiCoO₂相比，由于其高能量密度、低成本以及安全低毒性被认为是锂离子电池中最有前景的正极材料。但是，在高电压下充电时由于NMC的循环稳定性比较差，部分能量密度能够被工作电压(~4.2V)接收，并且Mn(II)在高电压下易分解等问题亟待解决。

【成果简介】

近日，北京大学深圳研究生院潘峰教授团队以NMC为核，用纳米级(010)晶面导向的LiFePO₄(nano-LFP)对其进行表层包覆，这种基于nano-LFP包覆NMC材料的锂离子半电池当充放电电压在3.0V~4.6V间时长期循环过程中展现出了高度可逆性和优异的循环稳定性，比一般的NMC材料耐受电压更高。

【图文导读】

图1.合成示意图

NMC@LFP正极材料的合成过程示意图

图2.NMC@LFP的形貌特征

(a) 原始LiNi_0.5Mn_0.3Co_0.2O₂(NMC532)粒子的SEM图；

(b) 纳米LFP粒子的SEM图；

(c) NMC@LFP(10%)样品的SEM图；

(d) NMC@LFP(10%)样品的EDS mapping分析SEM图；

(e) NMC@LFP(10%)样品的Ni元素分析图；

(f) NMC@LFP(10%)样品的Fe元素分析图；

(g) NMC@LFP(10%)样品的TEM图；

(h)相应的标注出来的红色区域的放大图。

图3.NMC@LFP (10%)样品截面的高分辨TEM图

(a)聚焦离子束下产生横截面图的高分辨TEM的简要说明，以及核壳材料NMC@LFP (10%)界面对称Li⁺通道的TEM图；

(b)界面的TEM图；

(c)界面处Ni和Fe的元素分布图；

(d)界面处的高分辨TEM图；

(e)d图中标记1,2,3位置处的晶格和电子衍射图。

图4.NMC@LFP系列样品的结构

(a)NMC532、纳米LFP、NMC@LFP(10%)和NMC@LFP(15%)样品的XRD图；

(b) NMC@LFP(10%)样品的O 1_S蚀刻XPS谱；

(c) NMC532和NMC@LFP(10%)样品的DSC曲线(内部为NMC@LFP(10%)样品不同温度下的SEM图)。

图5. NMC@LFP系列样品的电化学性能

(a)原始NMC532在3.0-4.6V电压范围内扫描速率为0.1mV/S的CV曲线；

(b) NMC@LFP(10%)样品在3.0-4.6V电压范围内扫描速率为0.1mV/S的CV曲线；

(c)系列样品在1/3 C时3.0~4.5V电压的第100次充放电曲线；

(d)NMC532和NMC@LFP(10%)样品在4.6V电压下第5、50、100次循环的奈奎斯特图；

(e)原始NMC532和NMC@LFP(5,10,15%)样品在电压3.0-4.5V间，在0.1C和1/3C处的循环性能；

(f) 原始NMC532和NMC@LFP(5,10,15%)样品在电压3.0-4.6V间，在0.1C和1/3C处的循环性能。

【展望】

这种无机包覆在可逆容量利用和长期循环稳定性方面的提高显示了在改进NMC基材料的固有不足上是一种有效的方法，有望在电动汽车上展开实际应用。

潘峰教授简介：

潘锋教授（博导，国家“千人计划”特聘专家）是北京大学深圳研究生院新材料学院创院院长,美国劳伦斯伯克利国家实验室高级访问科学家。1985年获北大化学系学士，1988年获中科院福建物构所硕士，1994年获英国Strathclyde大学博士(获最佳博士论文奖)，1994-1996年瑞士ETH博士后。

潘锋教授目前聚焦“新材料基因组（高通量的计算、合成与检测及数据库系统）”的研发及用于“清洁能源及关键材料研发”，包括新型太阳能电池、热电发电、储能和动力电池及关键材料的跨学科的基础研究和产品开发，具有十多年在国际大公司从原创基础研究到创新产品产业化的经历 。2011年创建北京大学新材料学院（深圳研究生院），2012年底作为项目的首席科学家和技术总负责,以北大新材料学院作为协同创新的枢纽，组织深圳市动力电池、材料、装备、研发等8家企业组成完整产业链创新群体，申请和承担了国家（3部委）重大专项--欧洲杯线上买球 汽车（动力电池）创新工程项目，已圆满完成项目。2013年作为团队负责人获得广东省引进 “光伏器件与储能电池及其关键材料创新团队”的重大项目支持。2015年任滚球体育 部“电动汽车动力电池与材料国际联合研究中心”（国家级研发中心）主任。2016年作为首席科学家组织11家单位（8所大学+深圳超算+2家深圳百亿产值的电池企业）申报成功国家材料基因组平台重点专项（“基于材料基因组的全固态锂电池及关键材料研发”）。潘锋教授在SCI收录国外期刊发表近120多篇技术论文和书章，被Elsevier列为2015年中国高被引学者（Most Cited Chinese Researchers）之一，3项国际发明专利，30多项国内专利申请。

原文链接：Aligned Li+ Tunnels in Core−Shell Li(NixMnyCoz)O2@LiFePO4 Enhances Its High Voltage Cycling Stability as Li-ion Battery Cathode(Nano Lett., 2016, DOI:10.1021/acs.nanolett.6b02742)

本文由材料人编辑部欧洲杯线上买球 学术组YenHo供稿，点这里加入材料人的大家庭。参与欧洲杯线上买球 话题讨论请加入“材料人欧洲杯线上买球 材料交流群 422065952”,欢迎关注微信公众号，微信搜索“欧洲杯线上买球 前线”或扫码关注。