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复合三元包覆材料的选择

层状镍钴锰酸锂(NCM)或镍钴铝酸锂(NCA)三元材料由于其具有放电容量大、能量密度高等优点已成为目前最具发展前景的电动汽车用动力锂离子电池正极材料之一。并且,随着镍(Ni)含量的增加,三元材料的比容量、能量密度增大,因此,高镍系三元材料是未来三元材料的发展方向。

层状镍钴锰酸锂(NCM)或镍钴铝酸锂(NCA)三元材料由于其具有放电容量大、能量密度高等优点已成为目前最具发展前景的电动汽车用动力锂离子电池正极材料之一。并且,随着镍(Ni)含量的增加,三元材料的比容量、能量密度增大,因此,高镍系三元材料是未来三元材料的发展方向。目前,限制三元材料发展的主要因素包括:

(1)随着Ni含量的增加,材料的循环性能变差;

(2)随着Ni含量的增加,材料表面残Li量增加,从而导致材料可加工性能变差;

(3)随着Ni含量的增加,材料热稳定性变差。

目前,主要采用离子掺杂、表面包覆以及电解液添加剂等措施改善三元材料的上述缺陷。其中,表面包覆是改善三元材料上述缺陷的一种重要手段,包覆层种类和包覆手段是决定包覆效果的关键因素。最佳的包覆层材料需要具备以下特征:

(1)材料具备良好的电化学活性及良好的电子导电性;

(2)材料的一次颗粒均一且颗粒尺寸越小越好,如果材料形成了二次颗粒则需具备易分散特性;

目前,工业上普遍采用Al2O3或SiO2湿法或干法包覆三元材料。但上述包覆层材料的电子导电率和锂离子迁移率均较低并且不具备电化学活性,并不是理想的包覆层材料。

磷酸铁锂(LFP)由于其具有比容量高、循环寿命长、成本低等优点是目前商用的动力锂离子电池正极材料之一。经过表面碳包覆后的LFP具有较高的电子导电率和锂离子迁移率,并且LFP本身即为锂离子电池正极材料,具有良好的电化学活性,因此将其作为包覆层包覆于三元材料表面形成三元材料@LFP核壳结构材料,可在不降低本征材料容量的同时提高其热稳定性能和循环稳定性能。

针对上述情况,威旭锂电利用自主开发的水热合成工艺,开发出一款三元材料表面包覆层材料磷酸铁锂产品,其具有:

(1)导电性能优异(电导率1~10-1S/cm),碳包覆均匀;

(2)一次颗粒呈均一的短棒状,粒径<100nm;

(3)二次颗粒为软团聚形成,易分散;

(4)产品纯度高,无磁性杂质等优点。

以该款产品作为包覆材料,采用物理方式将其均匀的包覆于三元材料表面,可有效阻隔循环过程中,电解液对三元材料活性物质的腐蚀,提高材料的热稳定性和循环稳定性能;并且由于LFP本身即为锂离子电池正极材料,采用此款材料进行包覆可保证本体材料的容量不受影响。

采用该款产品包覆商用NCM523正极材料制备NCM523@LFP,以此作为正极材料制成4Ah软包电池进行了测试。测试结果表明:

(1)在充电截止电压4.2V条件下,克容量发挥与未包覆的NCM523相当;

(2)在充电截止电压4.35V和4.45V,克容量发挥分别达到了170mAh/g以上和180mAh/g以上。

(3)包覆的三元材料的循环性能、安全性能较未包覆的产品有较大提升。

威旭锂电运用自有专利技术定制打造的该款磷酸铁锂产品,是复合三元材料包覆层材料的最佳选择。


稿件来源:中国电池网  
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