美國橡樹嶺國家實驗室在鋰金屬
電池正極材料上取得進展
文章信息
技術領域：鋰金屬電池正極材料
開發(fā)單位：美國橡樹嶺國家實驗室，Nitin Muralidharan; Ilias Belharouak.
技術突破：作者首次成功合成了一種新型無鈷層狀正極材料NFA，并對其進行了材料表征和電化學性能測試。倍率和循環(huán)性能測試結(jié)果表明，當充電至4.5 V時，該材料在0.1C的比容量高達~190mAh/g，在電壓窗口3 V～4.3V下循環(huán)100次后，容量保持率為88%，并在3 V～4.4 V的電壓窗口下進行了C/3的電化學測試，在200次充放電循環(huán)后，鋰離子電池表現(xiàn)出良好的循環(huán)性能，容量約為初始容量的72%。
文章名稱：Nitin Muralidharan, Ilias Belharouak, et al.LiNixFeyAlzO2, a new cobalt-free layered cathode material for advanced Li-ion batteries. Journal of Power Sources, 2020.
應用價值：此種正極材料NFA有望引領下一代無鈷鋰離子電池。
鋰離子電池是推動數(shù)字時代技術革命的重要組成部分。近年來，隨著電動汽車的出現(xiàn)，當前電池研究的主要焦點已轉(zhuǎn)向低成本電池的開發(fā)。目前的電池材料中基本均含有鈷元素。鈷的開采和精煉對電池行業(yè)的低成本和可持續(xù)目標是一種挑戰(zhàn)。并且全球鈷儲量的迅速減少也加劇了鈷供應的限制，這將逐漸開始威脅電動汽車市場的未來。另外，由于需求的增加，鈷的價格在過去幾年幾乎增長了兩倍，因此開發(fā)鈷含量較低的正極材料至關重要。而目前大多數(shù)電池行業(yè)使用的NMC和NCA正極，將不是實現(xiàn)這些目標的最佳選擇。鋰-鎳氧化物(LiNiO2)雖然是一個研發(fā)方向，但是LiNiO2較難合成，在電化學測試過程中結(jié)構會發(fā)生嚴重的變化，導致循環(huán)性能較差。鋰鎳錳氧化物(LNMO)，4.9 V尖晶石正極材料，是另一款將逐漸商業(yè)化的候選材料。然而，這種材料的容量較低(理論上約為147mAh/g)，需要在較高電壓下且專用電解液體系下才有意義。然而，當在較高電壓循環(huán)時，這些材料的容量衰減較快。
圖1 NFA制備過程示意圖
最近，橡樹嶺國家實驗室報告了一種用鐵代替NCA結(jié)構中的鈷，從而形成一種鈷含量為“零”的新型正極材料。這種新的無鈷正極材料，通式為LiNixFeyAlzO2 (NFA)，在不破壞NCA結(jié)構和安全優(yōu)勢的情況下消除鈷，同時提高容量。高鎳含量(>80%)有助于提高容量，并用少量三價鋁和鐵代替部分鎳，三價鋁和鐵的離子半徑與Ni3+相似(Al3+離子半徑為0.54 ?，F(xiàn)e3+為0.55 ?，而Ni3+的離子半徑為0.55 ?)將有助于結(jié)構穩(wěn)定性的改善，增強安全性，并改善循環(huán)壽命。該NFA正極材料是通過共沉淀法合成的，具有良好的倍率性能和穩(wěn)定的循環(huán)性能，同時具有較高的容量。(來源：清新電源；INESA 楊征 整理)
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