锂电池高电压层状氧化物正极材料的表界面性质研究
发布时间：2020-12-08 17:53
随着电动汽车、智能电子设备等领域的快速发展,迫切的需要具有长循环寿命和高安全性的高能量密度锂电池。使用具有高电压和高比容量的正极是提高电池能量密度的有效途径。其中层状正极材料由于具有较高的理论比容量而得到了广泛的关注,但其在高电压下的应用还具有较多问题与挑战,尤其是与电解液界面处的结构相变、过渡金属溶解、氧析出、电解液持续氧化分解等问题,严重地限制着其在高能量密度锂电池中的应用。为了提高高电压下层状正极材料的电化学性能与安全性能,本论文从正极电解质中间相（CEI）入手,研究高电压下正极材料表面晶体结构与元素组成对于CEI的影响,说明何种结构与组成的正极表面更有利于形成稳定的CEI。并基于此结果利用表面包覆对层状正极/电解液界面进行进一步改性以提高其在高电压下的稳定性。另外考虑到固态金属锂电池兼具高能量密度与安全性能,是未来锂离子电池的发展方向,本论文对于高电压层状正极与有机聚合物及无机氧化物固态电解质的界面稳定性也展开了初步的研究。本论文首先通过X射线光电子能谱研究了晶体结构与元素组成对于CEI的影响,结果表明充电到4.8 V的高电压时层状与尖晶石结构正极材料的CEI具有相似的组成与厚...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)北京市
【文章页数】：176 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
锂离子电池工作原理示意图
体系的锂离子电池（石墨为负极）的能量密度与传统正极材料相比得到了明显的提升。目前，国内各企业和研究单位的研发重点主要放在开发以 NCM811/NCA为正极和硅基材料为负极的具有优异电化学和安全性能的高能量密度动力电池上。消费电子类电芯的研发重点放在高电压 LiCoO2的开发上，因为 LiCoO2是目前为止具有最高体积能量密度的正极材料。而 LiNi0.5Mn1.5O4和富锂锰基氧化物正极在各研究团队的努力下也有望实现产业化，给>300 Wh/kg 高能量密度锂离子电池设计提供了新的材料选择。尽管这些材料体系已经得到广泛的研究，但是目前高能量密度锂离子电池仍然存在一些问题，包括循环性、功率性、高低温性能和安全性。因为采用的正极为高电压或者具有高表面活性的材料，负极为高体积膨胀率的硅基材料，材料自身尤其是界面的不稳定性会导致一系列界面膜生长（电解液氧化/还原加剧）、结构破坏、产气、枝晶生长和体积膨胀等问题。(21-26)不仅仅需要对正负极材料进行改性，配套使用的电解液、隔膜、导电添加剂等也需要同时进行优化，以实现高能量密度锂离子电池的全面商业化。
图 1.3 固态电池结构示意图。(34)Figure 1.3 Schematic diagram of solid-state battery.(34)电解质的应用中，技术最成熟是掺氮磷酸锂（L中，其循环性能稳定（>1000 次）、与金属锂和优异。(35)但是其制备工艺复杂，成本较高，很难制而其他氧化物，包括 Li7La3Zr2O12（LLZO）和 L然它们电导率较高，耐高电压性能好，机械强度与活性材料的接触面积小，导致界面阻抗大，尤膨胀与收缩，会进一步失去接触，实际电池很难情况相对好一些，因为硫化物较软，可使用热压好的物理接触。此外，硫化物电导率高，其固态物固态电池得到了产业界广泛的关注，日本 To
【参考文献】：
期刊论文
[1]Charge compensation and capacity fading in LiCoO2 at high voltage investigated by soft x-ray absorption spectroscopy[J]. 龙兴辉,吴颜如,张念,于鹏飞,冯雪飞,郑顺,傅佳敏,刘啸嵩,柳娜,王梦,徐磊敏,陈锦明,李振民. Chinese Physics B. 2018(10)
[2]Improved electrochemical performances of high voltage LiCoO2 with tungsten doping[J]. 张杰男,李庆浩,李泉,禹习谦,李泓. Chinese Physics B. 2018(08)
[3]全固态锂电池:梦想照进现实[J]. 李泓. 储能科学与技术. 2018(02)
[4]可充金属锂负极,路在何方?[J]. 艾新平. 储能科学与技术. 2018(01)
[5]锂电池术语(草案)[J]. 曹林,孙传灏,袁中直,张若楠,苏育专,张寿波,张新河,俞会根,郑杰允,李泓. 储能科学与技术. 2018(01)
[6]锂离子电池纳米硅碳负极材料研发进展[J]. 陆浩,李金熠,刘柏男,褚赓,徐泉,李阁,罗飞,郑杰允,殷雅侠,郭玉国,李泓. 储能科学与技术. 2017(05)
[7]全固态锂电池研究进展[J]. 任耀宇. 科技导报. 2017(08)
[8]Forming solid electrolyte interphase in situ in an ionic conducting Li1.5Al0.5Ge1.5（PO4）3-polypropylene（PP） based separator for Li-ion batteries[J]. 吴娇杨,凌仕刚,杨琪,李泓,许晓雄,陈立泉. Chinese Physics B. 2016(07)
[9]高压锂离子电池电解液添加剂研究进展[J]. 李放放,陈仕谋. 储能科学与技术. 2016(04)
[10]Strategies to curb structural changes of lithium/transition metal oxide cathode materials & the changes’ effects on thermal & cycling stability[J]. 禹习谦,胡恩源,Seongmin Bak,周永宁,杨晓青. Chinese Physics B. 2016(01)
本文编号：2905447
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)北京市
【文章页数】：176 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
锂离子电池工作原理示意图
体系的锂离子电池（石墨为负极）的能量密度与传统正极材料相比得到了明显的提升。目前，国内各企业和研究单位的研发重点主要放在开发以 NCM811/NCA为正极和硅基材料为负极的具有优异电化学和安全性能的高能量密度动力电池上。消费电子类电芯的研发重点放在高电压 LiCoO2的开发上，因为 LiCoO2是目前为止具有最高体积能量密度的正极材料。而 LiNi0.5Mn1.5O4和富锂锰基氧化物正极在各研究团队的努力下也有望实现产业化，给>300 Wh/kg 高能量密度锂离子电池设计提供了新的材料选择。尽管这些材料体系已经得到广泛的研究，但是目前高能量密度锂离子电池仍然存在一些问题，包括循环性、功率性、高低温性能和安全性。因为采用的正极为高电压或者具有高表面活性的材料，负极为高体积膨胀率的硅基材料，材料自身尤其是界面的不稳定性会导致一系列界面膜生长（电解液氧化/还原加剧）、结构破坏、产气、枝晶生长和体积膨胀等问题。(21-26)不仅仅需要对正负极材料进行改性，配套使用的电解液、隔膜、导电添加剂等也需要同时进行优化，以实现高能量密度锂离子电池的全面商业化。
图 1.3 固态电池结构示意图。(34)Figure 1.3 Schematic diagram of solid-state battery.(34)电解质的应用中，技术最成熟是掺氮磷酸锂（L中，其循环性能稳定（>1000 次）、与金属锂和优异。(35)但是其制备工艺复杂，成本较高，很难制而其他氧化物，包括 Li7La3Zr2O12（LLZO）和 L然它们电导率较高，耐高电压性能好，机械强度与活性材料的接触面积小，导致界面阻抗大，尤膨胀与收缩，会进一步失去接触，实际电池很难情况相对好一些，因为硫化物较软，可使用热压好的物理接触。此外，硫化物电导率高，其固态物固态电池得到了产业界广泛的关注，日本 To
【参考文献】：
期刊论文
[1]Charge compensation and capacity fading in LiCoO2 at high voltage investigated by soft x-ray absorption spectroscopy[J]. 龙兴辉,吴颜如,张念,于鹏飞,冯雪飞,郑顺,傅佳敏,刘啸嵩,柳娜,王梦,徐磊敏,陈锦明,李振民. Chinese Physics B. 2018(10)
[2]Improved electrochemical performances of high voltage LiCoO2 with tungsten doping[J]. 张杰男,李庆浩,李泉,禹习谦,李泓. Chinese Physics B. 2018(08)
[3]全固态锂电池:梦想照进现实[J]. 李泓. 储能科学与技术. 2018(02)
[4]可充金属锂负极,路在何方?[J]. 艾新平. 储能科学与技术. 2018(01)
[5]锂电池术语(草案)[J]. 曹林,孙传灏,袁中直,张若楠,苏育专,张寿波,张新河,俞会根,郑杰允,李泓. 储能科学与技术. 2018(01)
[6]锂离子电池纳米硅碳负极材料研发进展[J]. 陆浩,李金熠,刘柏男,褚赓,徐泉,李阁,罗飞,郑杰允,殷雅侠,郭玉国,李泓. 储能科学与技术. 2017(05)
[7]全固态锂电池研究进展[J]. 任耀宇. 科技导报. 2017(08)
[8]Forming solid electrolyte interphase in situ in an ionic conducting Li1.5Al0.5Ge1.5（PO4）3-polypropylene（PP） based separator for Li-ion batteries[J]. 吴娇杨,凌仕刚,杨琪,李泓,许晓雄,陈立泉. Chinese Physics B. 2016(07)
[9]高压锂离子电池电解液添加剂研究进展[J]. 李放放,陈仕谋. 储能科学与技术. 2016(04)
[10]Strategies to curb structural changes of lithium/transition metal oxide cathode materials & the changes’ effects on thermal & cycling stability[J]. 禹习谦,胡恩源,Seongmin Bak,周永宁,杨晓青. Chinese Physics B. 2016(01)
本文编号：2905447
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