锂离子电池镍钴锰/铝三元浓度梯度正极材料的研究进展
张春芳, 赵文高, 郑时尧, 李益孝, 龚正良, 张忠如, 杨勇
电化学（中英文）
2020, 26 ( 1):
73-83.
DOI:10.13208/j.electrochem.181011
高镍三元正极材料由于高容量和高工作电压被认为是下一代锂离子电池有力的候选者,然而循环稳定性和热稳定性不佳限制了其广泛应用. 镍钴锰/铝三元浓度梯度正极材料的梯度设计可以在保证高容量的同时兼具优良的循环稳定性,因而在过去十年中得到了广泛研究. 本文综述了锂离子电池镍钴锰/铝三元浓度梯度材料最新的研究进展,论文首先总结了梯度材料的不同合成方法,并阐述了核壳浓度梯度材料和全浓度梯度材料的研究方向. 其次,介绍了浓度梯度材料的结构表征手段并揭示性能改善的原因. 最后讨论了目前该材料产业化的难点,并提出了可能的解决方案.
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图6
层状材料的放电比容量VS容量保持率图像（左）,包括梯度NCMs和传统的NCA和NCMs;DSC测出的热稳定性分布图（右）[55]. 经许可转载,版权所有2017 American Chemical Society.
正文中引用本图/表的段落
在确认梯度材料成功合成之后,还需要进一步验证材料是否具有提高的电化学性能和热稳定性,通过电池测试系统可以测量首次放电比容量、容量保持率、循环寿命等,而热稳定性则可以通过DSC（differential scanning calorimeter,差示扫描量热法）来进行测试. Chong等人[56]通过研究发现,与传统的NCA和NCM材料相比,全梯度材料不仅首次放电比容量较高,而且循环性能和热稳定性也得到了明显的提升,如图6所示.
在确认梯度材料成功合成之后,还需要进一步验证材料是否具有提高的电化学性能和热稳定性,通过电池测试系统可以测量首次放电比容量、容量保持率、循环寿命等,而热稳定性则可以通过DSC（differential scanning calorimeter,差示扫描量热法）来进行测试. Chong等人[ 56]通过研究发现,与传统的NCA和NCM材料相比,全梯度材料不仅首次放电比容量较高,而且循环性能和热稳定性也得到了明显的提升,如 图6所示. ...
在确认梯度材料成功合成之后,还需要进一步验证材料是否具有提高的电化学性能和热稳定性,通过电池测试系统可以测量首次放电比容量、容量保持率、循环寿命等,而热稳定性则可以通过DSC（differential scanning calorimeter,差示扫描量热法）来进行测试. Chong等人[ 56]通过研究发现,与传统的NCA和NCM材料相比,全梯度材料不仅首次放电比容量较高,而且循环性能和热稳定性也得到了明显的提升,如 图6所示. ... Extending the battery life using an Al-doped Li[Ni0.76Co0.09Mn0.15]O2 cathode with concentration gradients for lithium ion batteries 1 2017 ... 除了简单的浓度梯度设计之外,近年来,科研工作者也开始对单梯度材料进行掺杂研究[53,54]. 2016年,Kim等人[53]在全浓度梯度的Li Ni0.6Co0.121-Mn0.272Al0.007O2正极(简称Al-FCG61)中掺杂了0.75mol%的Al,探究长循环过程中少量Al掺杂对NCM全梯度材料循环性能的影响. 研究结果表明,Al-FCG61正极在和石墨负极匹配的全电池中循环3000次后仍能保持其初始容量的84%,这可能是由于Al-FCG61中Al-O键具有更强的键能,可以提升晶界的强度,从而有效抑制了沿晶界微裂纹的形成,最终使得结构稳定性和循环稳定性显著提升. ... Advanced concentration gradient cathode material with two-slope for high-energy and safe lithium batteries 8 2015 ... 双梯度材料(two-sloped full concentration gradient,TSFCG)[55,56,57,58,59,60]颗粒的中心到表面的过渡金属离子浓度具有两种不同的分布梯度,即出现两种斜率,如图4(B)所示. 这种材料的设计目的是为了进一步提高颗粒中心区域的镍浓度和表面区域的锰浓度. ...
本文的其它图/表
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图1
共沉淀法制备三元梯度材料的装置示意图[23]. 经许可转载, 版权所有2011 The Royal Society of Chemistry.
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图2
(A)核壳梯度材料的结构示意图[25]. 经许可转载,版权所有2009 Nature Publishing Group. (B) 全梯度材料的结构示意图[26]. 经许可转载, 版权所有2012 Nature Publishing Group.
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图3
前驱体(A) Ni0.64Co0.18Mn0.18(OH)2和相应梯度材料(B) Li(Ni0.64Co0.18Mn0.18)O2的EPMA线扫结果[25]. 经许可转载,版权所有2009 Nature Publishing Group.
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表1
不同梯度设计的核壳梯度材料
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图4
(A) 单梯度材料的EPMA线扫结果[26]. 经许可转载,版权所有2012 Nature Publishing Group. (B) 双梯度材料的EPMA的测试结果[52]. 经许可转载, 版权所有2015 Wiley-VCH.
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表2
不同镍含量的全梯度材料性能的比较
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图5
(A) FCG61的EPMA线扫结果,(B) 镍/钴/锰元素的TEM-EDS的元素分布图,(C) 沿Al-FCG61的一次颗粒的TEM线扫结果,(D) Al-FCG61一次颗粒的TEM明场像,以及相应的电子衍射图案[53]. 经许可转载, 版权所有2016 Wiley-VCH.
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图7
(A, B) NCA82和(C, D) TSFCG85 电极充电到4.3 V后分别在55 °C下老化0和2天的横截面SEM图像. (E-G) NCA82和(H-J) TSFCG85正极材料分别充电到4.3 V后在55 °C下老化0、1和3天的横截面高倍SEM图像[55]. 经许可转载,版权所有2017 WILEY-VCH.
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图8
(A) TSFCG材料在软包电池中1500次循环后的TEM图像,(B)为A图中标记区域的电子衍射图. (C)常规NCM材料在软包电池中1500次循环后的TEM图像,(D) 常规NCM循环后破碎的一次颗粒,(E) 为D中标记区域的电子衍射图[52]. 经许可转载,版权所有2015 WILEY-VCH.
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