Al、Zr双掺杂无Co富Ni锂电池正极材料

张明 2024-04-08

Al、Zr双掺杂锂离子电池用无钴富镍正极材料

研究背景

锂电池中，低钴或无钴已成为正极材料的发展趋势。无钴阴极，特别是富镍层状阴极，具有很高的理论放电容量，但由于钴在稳定晶体结构、提高循环保持率和倍率性能方面的重要作用，在商业应用中面临着严峻的技术挑战。在已知的改性方法中，掺杂是一种常用的经济有效的改进手段，尤其是双掺杂，如镧和铝共掺杂到LiCoO2中，其中La作为支柱增加c轴距离，Al作为正电荷中心，拥有更好的倍率性能和循环性。

研究方法

本研究采用一步高温固相法制备了掺杂Al和Zr元素的无Co富Ni的 LiNi0.96Mn0.04O2 正极材料。采用场发射扫描电镜和能谱仪对样品的形貌和元素分布进行了研究，并进行了电化学测试。

实验结果解析

图1. 材料制备示意及合成正极材料的晶体结构图。

图2. 采用锂源和添加剂在高温烧结后，得到的材料保持球形，二次粒径约为10 μm，由纳米级初级颗粒聚集。

e-j 能谱图进一步证实了Al和Zr在掺杂材料上的分布，Al和Zr元素与NMAZ中粒子的形状相对应，分布均匀。

图5. (b)显示在2.8-4.3 V下，从0.1C到2.0C，再回到0.2C，NM、NMA、NMZ和NMAZ在2.0℃下的放电容量分别为184.3、193.4、189.3和195.0 mA/g。NMAZ具有最好的倍率性能。NM和NMAZ在电压为2.8 ~ 4.3 V和1C, 25℃条件下，(c)(d)显示不同周期的充放电曲线。NM的容量衰减迅速，循环100次后仅保留75%的容量，而NMAZ在相同条件下保留81.2%的容量。

图8. DSC法测定了样品的耐热性。NM、NMA、NMZ和NMAZ的主要放热事件温度分别为205.7、211.1、206.3和212.7°C。

实验总结与结论

本研究合成了Al、Zr双掺杂富镍无钴LiNi0.96Mn0.04O2 正极材料。Al和Zr元素在LiNi0.96Mn0.04O2晶格中被取代，产生了强的Al-O和Zr-O键合，显著降低了阳离子的混合程度。由于Al3+的电负性较小，Zr4+的半径比Ni3+大，使得c晶格参数增大。Al, Zr掺杂与表面形成离子导电性Li2ZrO3涂层，有效提高了富Ni无钴阴极中Li+的扩散率、体积和界面稳定性。结果表明，Al, Zr掺杂纳米材料具有较高的初始放电容量和良好的热稳定性。总体而言，Al、Zr双掺杂策略为同时提高高Ni无Co阴极材料的倍率性能、循环性能和热稳定性提供了新的途径，对开发高性能、低成本的高能lib阴极具有重要的现实意义。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2022.12.004

内容来源：今日新材料

责任编辑：展源

审　　核：何发

Al、Zr双掺杂无Co富Ni锂电池正极材料

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