說(shuō)到鈷酸鋰大家都不會(huì)陌生,自從索尼推出第一款商業(yè)鋰離子電池以來(lái),鈷酸鋰材料長(zhǎng)期以來(lái)占據(jù)鋰離子電池正極材料的霸主地位,雖然近年來(lái)動(dòng)力電池對(duì)低成本、高比能電池的需求使得三元材料的市場(chǎng)需求快速增加,但是在消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域鈷酸鋰仍然具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。
鈷酸鋰材料的理論容量為274mAh/g,但在實(shí)際使用中為了保持鈷酸鋰的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和良好的循環(huán)性能,我們一般將充電電壓限制在4.2V左右,因此鈷酸鋰的實(shí)際使用容量也就在140mAh/g左右,近年來(lái)材料廠家通過(guò)表面包覆合、元素?fù)诫s等手段提升了鈷酸鋰材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,充電電壓可以提升至4.35V,從而使得鈷酸鋰材料的可逆容量達(dá)到165mAh/g左右,但是這仍然無(wú)法滿足高比能鋰離子電池的需求,為此華為中央研究院聯(lián)合美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室通過(guò)La和Al摻雜,將LiCoO2的穩(wěn)定電壓提高到了4.5V,可逆容量達(dá)到190mAh/g,其中La能夠增加LCO材料在c軸方向上的晶胞參數(shù),Al則能夠起到促進(jìn)Li+擴(kuò)散、穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)和防止LCO材料相變的作用,兩者相互作用顯著改善了LCO材料在高電壓下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,循環(huán)50次后仍然能夠保持96%的容量,并使得LCO材料的倍率性能得到了大幅提高。
通常我們認(rèn)為造成LCO材料可逆容量低的因素主要是LCO材料在充電過(guò)程中發(fā)生的復(fù)雜相變,在低電壓下LCO會(huì)經(jīng)歷絕緣體/金屬導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變,當(dāng)充電到4.2V后,LCO材料還會(huì)發(fā)生有序-無(wú)序材料轉(zhuǎn)變(O3轉(zhuǎn)變?yōu)镃2/m最終轉(zhuǎn)變回O3),當(dāng)繼續(xù)充電至4.5V,O3相則會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)镠1-3或者O6相,雖然這些相變是可逆的,但是有序向無(wú)序相轉(zhuǎn)變會(huì)顯著降低Li+的擴(kuò)散速度,而當(dāng)繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)镠1-3相時(shí)則會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生嚴(yán)重的機(jī)械應(yīng)力,在顆粒內(nèi)部和顆粒之間產(chǎn)生裂紋,并伴隨著Li+擴(kuò)散速度的降低,從而導(dǎo)致LCO材料的可逆容量迅速衰降,因此早期的LCO材料一般都選擇4.2V作為充電截止電壓。
上圖為普通LCO(上圖c)和La、Al摻雜LCO(上圖d)的高分辨率XRD(HRXRD)圖譜,通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),La摻雜使得晶胞參數(shù)c從14.0545A提高到了14.0588A,增加0.03%,而晶胞參數(shù)a則從2.8159A下降到了2.8156A,下降0.01%。過(guò)渡金屬元素的溶出一直是困擾正極材料的問(wèn)題,針對(duì)LCO材料中過(guò)渡金屬元素溶解狀況分析發(fā)現(xiàn),普通LCO材料在60℃下存儲(chǔ)14天后電解液中Co的濃度達(dá)到91.1ppm,而摻雜后的LCO材料的Co溶出僅為4.2ppm,表明La、Al摻雜能夠顯著的改善LCO材料的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
電化學(xué)測(cè)試表明摻雜和非摻雜的LCO材料在充電到4.5V時(shí)均能夠發(fā)揮出190mAh/g的容量,達(dá)到其理論容量的70%左右,但是當(dāng)我們對(duì)比兩種材料的倍率性能和循環(huán)性能時(shí)就能夠發(fā)現(xiàn),摻雜后的LCO材料在循環(huán)和倍率性能得到了明顯的提升,例如在2C倍率下,摻雜LCO材料的容量可達(dá)167mAh/g,要比不摻雜的LCO高出14mAh/g,在循環(huán)性能方面摻雜LCO材料在循環(huán)50次后容量保持率可達(dá)96%,而非摻雜LCO材料的容量保持率僅為84%,遠(yuǎn)低于La、Al摻雜LCO材料。電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明La、Al摻雜不僅僅能夠提升LCO材料晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,改善LCO的循環(huán)性能,還能夠提高Li+的擴(kuò)散速度,從而提高倍率性能。
材料的dQ/dV曲線是反應(yīng)材料相變的重要參考點(diǎn),從沒(méi)有摻雜的LCO材料的dQ/dV曲線(上圖e)上能夠看到,材料在4.1V、4.2V和4.46V出現(xiàn)了三個(gè)峰值,其中4.1V、4.2V對(duì)應(yīng)的為材料的有序-無(wú)序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,而在4.46V處的峰則表示材料進(jìn)一步發(fā)生相變,而我們反觀經(jīng)過(guò)摻雜處理的LCO材料在相同的電壓范圍內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)峰值,表明La和Al摻雜很好的抑制了LCO材料的相變。
原位X涉嫌衍射分析揭示了LA、Al摻雜提高LCO材料循環(huán)性能的原因,從下圖中能夠看到摻雜后的LCO材料除了在低電壓范圍內(nèi)有一個(gè)絕緣體-金屬導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變外,在整個(gè)電壓范圍內(nèi)都是單相固溶體結(jié)構(gòu),而沒(méi)有摻雜的LCO材料在整個(gè)電壓范圍內(nèi)發(fā)生了一系列的相變反應(yīng)。從下圖b和c來(lái)看在脫Li的過(guò)程中沒(méi)有摻雜的LCO材料的晶胞參數(shù)c變化明顯要好于經(jīng)過(guò)摻雜的LCO材料,因此導(dǎo)致沒(méi)有摻雜的LCO在脫Li過(guò)程中晶胞體積膨脹達(dá)到3.63%,而經(jīng)過(guò)摻雜處理的LCO僅為2.97%,這極大的減少了LCO在脫Li過(guò)程中顆粒內(nèi)部和顆粒之間應(yīng)力的產(chǎn)生,提升了LCO材料的循環(huán)性能。
通過(guò)對(duì)LCO材料的比面電阻進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),沒(méi)有摻雜處理的LCO材料在循環(huán)過(guò)程中比面電阻上升的很快,而經(jīng)過(guò)摻雜處理后的LCO材料循環(huán)過(guò)程中電極的比面電阻僅有輕微的升高,這主要是因?yàn)長(zhǎng)a、Al摻雜很好的抑制了脫Li過(guò)程中的LCO材料的相變,從而減輕了材料中的應(yīng)力,避免了循環(huán)過(guò)程中LCO材料裂紋的產(chǎn)生。而沒(méi)有摻雜的LCO材料由于脫Li過(guò)程中LCO中存在多種相變,因此導(dǎo)致了LCO材料在循環(huán)過(guò)程中積累了大量的應(yīng)力,從而在顆粒表面產(chǎn)生了許多的裂縫,從而加劇了電解液在LCO材料表面的分解,導(dǎo)致電阻迅速增加。
華為中央研究院和阿貢實(shí)驗(yàn)室的科研人員們緊密合作,通過(guò)在LCO材料中摻入少量的La和Al很好的抑制了在脫Li過(guò)程中LCO材料發(fā)生的相變,減輕了顆粒內(nèi)部和顆粒之間的應(yīng)力產(chǎn)生和積累,從而減少了循環(huán)過(guò)程中LCO顆粒表面裂紋的產(chǎn)生,極大的提升了LCO材料在4.5V高電壓下的循環(huán)穩(wěn)定性,同時(shí)使得LCO材料的可逆容量達(dá)到190mAh/g,遠(yuǎn)高于目前的高壓鈷酸鋰材料(4.35V,165mAh/g)。同時(shí)La、Al摻雜還顯著的提升了Li+在LCO材料那的擴(kuò)散速度,提升了材料的倍率性能。最后,小編要說(shuō)一句:“科研不是口號(hào),喊喊就行了,科研是投入真金白銀搞出來(lái)的,向華為致敬!”