锂离子电池层状正极材料(NCM523)/电解液界面设计与性能

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改善正极电解液界面处的稳定性,减少界面的副反应,是提高正极材料高压循环稳定性的重要手段。本文以LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523)三元富镍正极材料为研究对象,通过将NiF2包覆在LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2表面构建稳定的正极材料/电解液界面层以提高LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料在高压下循环稳定性;此外,论文通过在电解液中添加亚磷酸三(三甲硅烷基)(TMSPi)和丙烯基-1,3-磺酸内酯(PES)来改善LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/电解液界面在高压下的稳定性,从而改善LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料高压循环性能。论文通过湿化学法合成NiF2包覆LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料。XRD、SEM和TEM结果表明NiF2成功包覆在LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2颗粒表面。NiF2包覆可以有效的提高LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的电化学性能,在30 oC循环100次后,1.0wt.%NiF2包覆的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2在2.8-4.5 V和1.0 C电流密度下的容量保持率可以达到86.9%,远远高于原始的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(69.0%)。通过XPS、SEM和TEM对循环后材料表面进行分析,发现NiF2成功抑制了电解液和正极材料的副反应,减小了SEI(固液界面)膜在正极材料表面的增长,从而有效抑制了阻抗和极化的增长。此外,NiF2包覆也可以有效提高LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2在高温下的循环稳定性。通过1.0wt.%NiF2包覆,材料在55 oC和4.5 V下循环100次后的容量保持率从24.4%升至75.6%。论文在电解液中添加TMSPi来提高LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料在4.5 V下的循环稳定性。电化学测试结果表明在30 oC下循环100次后,添加了2.0wt.%TMSPi的电池的容量保持率高达96.4%,远高于原始电池(69.0%),说明TMSPi可以有效提高LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料在4.5 V下的循环稳定性。另外,电池在5.0 C下的放电比容量从84.0 mAh g-1提高到138.9 mAh g-1,说明材料的倍率性能也得到极大的提升。SEM和XPS分析结果表明,添加TMSPi可以有效抑制电解液在正极表面的氧化分解,降低电池在高截止电压下的阻抗的增长。此外,TMSPi也有效提高了LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2在高温下的循环性能。通过添加2.0wt.%TMSPi,LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2在55 oC和4.5 V下循环100次后的容量保持率从24.4%提升至75.3%。论文通过在电解液中添加PES来提高LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料在4.5 V下的循环稳定性。电化学测试结果表明在30 oC下循环100次后,添加3.0wt.%PES的电池的容量保持率高达98.7%,远高于原始电池(69.0%),说明PES可以有效提高LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料在4.5 V下的循环稳定性。SEM、TEM和XPS分析表明添加PES后形成了连续致密的SEI膜,可以为电解液提供保护作用,从而抑制了阻抗的持续增长。此外,PES有效提高了LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2在高温下的循环性能。通过添加3.0wt.%PES,电池在55 oC和4.5 V下循环100次后容量保持率从24.4%提升至82.4%。
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