深圳大学Journal of Power Sources:喷雾干燥法制备液态聚丙烯腈掺杂的LiNi0.8Co0.15Al0.05O2用作锂离子电极材料

Alisa 6年前 (2019-02-18) 3833浏览

【引言】

随着电动汽车的日渐普及，对高容量锂离子电池的需求越来越大。LiNiO2是传统的锂离子电池正极材料，但其容量低、循环性能差，需要掺杂一定比例的Co或Al以提升其热力学稳定性和电化学性能。相对而言，Co的使用更为广泛，很多正极材料都包含Ni和Co，如LiNi0.8Co0.10Mn0.1O2（NCM）、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2（NCA）、和LixNi1-yMyO2 (1-y>0.6, M=Co, Mn, Al, Mg)等。这些正极材料由于富Ni而具有较高的容量和能量密度，同时具有价格低廉、环境友好等优点，因此受到广泛关注。其中，LiNi0.8Co0.15Al0.05O2（NCA）已成功实现了商业化应用，其容量高于200 mA h g−1。本课题组在前期研究中也获得了类石墨烯包覆[Li0.1Ni0.45Mn0.45]O2正极材料，容量高达210 mA h g−1。

尽管NCA作为正极材料已经得到了一定的应用，但仍存在以下缺点：（1）生产制备工艺需要进一步优化。目前工业上制备NCA主要用两步法，包括金属盐的共沉积和锂源的添加。由于不同金属离子的溶度积（Ksp）差异较大，因此难以制备得到均匀的前驱物；另一方面，在共沉淀时需大量使用酸、碱溶液，会带来严重的环境问题；（2）材料的循环稳定性需进一步加强。由于Li+的半径（0.76 Å）与Ni2+（0.69 Å）相近，因此NCA正极材料在结晶和充放电过程中易形成阳离子混排，从而影响材料循环的稳定性。

【成果介绍】

最近，深圳大学刘剑洪课题组开发了一种新颖简便的喷雾干燥法制备液态聚丙烯腈（liquid polyacrylonitrile，LPAN）掺杂的LiNi0.8Co0.15Al0.05O2（LPAN@NCA）用作锂离子电池材料。该材料具有多孔球状结构，初次放电比容量在0.1 C倍率时达到227.9 mA h g−1，比未掺杂LPAN的NCA高出26.6%。LPAN@NCA在循环200圈后容量保持率可达93.59%，并且循环后材料的形貌保持不变。X射线衍射分析表明，掺杂LPAN可以有效减少Ni2+占据Li+位置的混排至2.72%，同时提升Li+的迁移率。

因此，喷雾干燥法是一种简单、有效的材料制备方法，可以实现大规模工业化生产。制备得到的LPAN@NCA具有高比容量、优异的倍率性能以及出色的循环稳定性，具有广阔的应用前景。

该成果以“Enhancing the electrochemical performance of LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 by a facile doping method: Spray-drying doping with liquid polyacrylonitrile”为题发表在期刊Journal of Power Sources上，第一作者为深圳大学化学与环境工程学院硕士研究生桂绍智，共同通讯作者为深圳大学化学与环境工程学院刘剑洪教授和卓海涛特聘副研究员。

【图文导读】

图1

（a）不同LPAN含量前驱体的热重曲线和（b）不同LPAN含量的样品的XRD谱。

图2 不同LPAN含量的样品的XRD rietveld精修谱图

a) NCA-0; b) NCA-15; c) NCA-20; d) NCA-25.

图3

LPAN含量为（a-c）0和（d-f）20%的样品的SEM图；含20% LPAN 样品的（g）EDS和（h-i）TEM图。

图4 不同LPAN含量的样品的BET比表面以及孔径分布图。

图5

（a）LPAN含量为0和20%的样品的全谱; （b）LPAN含量为20%的样品的各元素相对深度以及所有样品的（c）Ni2p, （d）C1s，（e）O1s和（f）Li 1s窄谱图

图6

（a）室温下0.1C倍率 (180 mA h g−1)的循环稳定性；（b-c）0.1C倍率条件下首次和200次循环后的充放电曲线图；（d）室温下不同电流比率的倍率性能；（e, f）LPAN含量为0和20%的样品在不同电流倍率下的初次充放电曲线。

图7

LPAN含量为（a）0和（b）20%的样品在200圈循环后的SEM图

图8所有材料电极的EIS结果

（a-b）材料在循环之前和200圈循环之后的阻抗图谱;c）Warburg阻抗和ω-1/2的线性关系，在低频率拟合的曲线斜率是Warburg常数; d）所有样品循环伏安图：扫描速率为0.1 mV s-1.

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775318312308?via%3Dihub

本文由深圳大学刘剑洪课题组供稿，材料人编辑部编辑。

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