近日，我院郭航教授课题组在锂离子电池高镍三元正极材料的包覆研究中取得重要进展。相关成果以“Plasma-assisted Sputter Li3PO4 Coating on NCM955 Cathodes Enhancing High-temperature Cycling Performances”为题发表在Journal of Alloys and Compounds上。
图(a-b) NCM955/LPO-2的HRTEM图, (c-d) 磷酸锂包覆层的HRTEM图和对应的元素分布。
富镍层状材料是未来高能量密度锂离子电池的理想选择，但循环过程中的电化学不稳定性阻碍了其实际应用。表面包覆是解决这一问题最有效的方法之一。磷酸锂具有优异的化学稳定性和Li+导电性，可作为保护层和均匀的Li+传输层。
与常规的化学包覆不同,本研究采用微电子技术中的磁控溅射工艺，在NCM955电极上直接覆盖非晶磷酸锂Li3PO4层（LPO）。 高镍三元材料NCM955电极在5 nm厚的LPO涂层后，在室温（25℃）下与50℃“高”温以及1-10 C的倍率下进行循环测试，测得NCM955在50℃温度下以10 C的倍率放电时比容量达162.5 mAh g-1，表明磷酸锂涂层在50℃温度条件下的电化学性能优于室温条件下的涂层，不仅使高镍三元正极材料具有更好的电化学性能，特别是倍率性能，还可以拓宽高能量密度锂离子电池工作的温度范围，适用于更多的民用与军用场合。
在探究富镍层状电极材料电极包覆的研究工作基础上，课题组进一步探究了包覆层的锂离子和电子传导特性包覆层对电极包覆的影响，采用溅射工艺制备兼具优异电子和锂离子传输特性的包覆层材料Li4Ti5O12-TiO2可以有效提升锂离子电池富镍层状材料的循环性能。相关成果以“Li4Ti5O12-TiO2 composite coating layer enabling LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 electrodes with superior cycling performance”为题发表在Journal of Electroanalytical Chemistry上。另外，课题组还就TiO2-LiF复合包覆层对高镍三元正极材料电化学性能改进的原因进行了深入探讨，相关成果以“TiO2–LiF composite coating for improving NCM622 cathode cycling stability: one-step construction”为题发表于RSC Advances。
该系列研究工作为探究高镍三元正极材料包覆策略和包覆层设计提供了新思路与新方法，对开发高性能富镍层状电极材料有重要意义。相关研究工作均是在我院郭航教授和厦门大学马来西亚分校张颖副教授的指导下完成，2021级博士生黄凯为论文的第一作者。除了对于高镍三元正极材料以外，课题组硕士生杨慧丽与王绥昌也对高电压下钴酸锂正极材料进行了掺杂与微电子技术包覆的研究，有效提高了钴酸锂正极材料的容量与循环稳定性，相关成果以“Improved electrochemical performance of high voltage LiCoO2 with Al doping and ZrO2 coating”发表在International Journal of Electrochemical Science上。
以上研究工作得到了国家重点研发专项（2020YFB2007400）和国家自然科学基金重点项目（21935009）的资助与支持。
发布：2023年12月19日 09:39
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