《EES》实现超长电池寿命!并达到前所未有的循环稳定性

自1991年问世以来,由于其高能量密度,锂离子电池(LIB)作为便携式电子设备和家用电器的电源备受关注。但是,为了代替为电动汽车(EV)的燃料提供动力的内燃发动机,当前最先进的LIB所提供的能量密度仍然不足以满足行驶里程阈值,从而使消费者担心会电量,也就是里程焦虑。除了电动汽车所需的高能量密度外,由于汽车使用寿命相对较长(要求约1000次充放电循环5至10年),因此预期使用寿命也较长。但是,有充分的文献证明,电池的高能量密度通常会转化为较差的循环稳定性,对于采用分层氧化物正极(例如Li [NixCoy(Al或Mn)1 x y] O2)的电池尤其如此。
来自韩国汉阳大学等单位的研究人员对平均浓度为Li[Ni0.80Co0.05Mn0.15]O2的组成梯度正极进行氟掺杂,通过在8000次循环后保持其初始容量的78%,产生216毫安时每克的高放电容量,这具有前所未有的循环稳定性。相关论文以题为“Cation ordered Ni-rich layered cathode for ultra-long battery life”发表在Energy & Environmental Science。
论文链接:
https://doi.org/10.1039/d0ee03774e
不同于目前使用的分层正极,正极在100%放电深度(DOD)下循环,其DOD限制在60-80%,用以补偿容量衰减并保证所需的电池寿命。此外,正极的容量和循环稳定性很容易超过现有的最先进的电池,同时实现了超长循环寿命电动汽车(ev)800瓦时每公斤的的能量密度目标。正极的结构和化学稳定性是由组成梯度正极的组成分配和独特的微观结构以及通过透射电子显微镜发现的锂和过渡金属离子的有序位点混合提供的。
f掺杂会导致TM平板中有序的Li占据,从而形成2ahexX 2ahexX chex超晶格,反之亦然,事实证明,f掺杂对于抑制深荷电状态下微裂纹的形成至关重要,并且可以在延长的过程中保持正极的结构稳定性。此外,本文所提出的正极允许在能量存储系统中回收使用过的电动汽车电池,从而通过减少CO2排放和与废弃电池处置相关的成本来减轻负面环境影响。
图1.掺F的GC80正极的结构细节。
图2.掺F的GC80正极的电化学性能。
图3.通过超晶格的形成由F掺杂引起的阳离子有序化。
图4.阳离子有序结构的结构稳定性和Li迁移势垒的理论计算。
图5.脱锂过程中GC80和F1-GC80正极的晶胞收缩。
图6.使用TEM和STXM对放电状态下循环正极的事后分析。
在此,通过将f离子引入组成梯度的正极中,NCM正极在延长的循环时保持其容量的能力被提高到空前的水平(48000个循环)。该结果与以前的NCM正极长期循环文献数据相比是突出的,因为该正极以100%DOD循环,因此除了其极长的循环寿命外,还充分利用了其可用容量。F1-GC80正极显示出观察到的超长电池寿命的主要原因是阳离子的有序性,该阳离子有序地形成了2ahexX 2ahexX chex超晶格,这是由于通过交替占据TM板中的锂离子和Li板中的TM离子。F1-GC80正极的超长电池寿命有可能显着提高EV应用的能量密度,这是因为正极工作的100%DOD,从而为在ESS应用中回收使用的EV电池提供了机会,因此,通过减少二氧化碳排放量和废旧电池的处置成本,可以减轻环境压力。(文:SSC)
(0)

相关推荐