复合正极材料及其在锂离子电池中的应用

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目前,商业上广泛应用的锂离子正极材料主要有LiCoO2(LCO)层状材料、尖晶石型LiMn204(LMO)材料、橄榄石型LiFeP04(LFP)材料和Li[NiCoMn]02(NCM)三元层状材料。它们有各自的优点,但也存在相应的缺点。LMO具有三维锂离子通道,工作电压较高,资源丰富成本较低,环境友好污染小,尤其是安全性较好,是理想的锂离子动力电池正极材料。然而,LMO可逆循环容量(110~120mAh/g)偏低,且充放电循环过程中由于锰的溶解、电解液分解以及Jahn-Teller效应等原因,容量衰减较快。为此,论文引入高容量的第二正极材料,在正极中形成微电池,减少了LMO材料颗粒表面Li+的富集,抑制Jahn-Teller效应以保持LMO晶体结构的完整,从而获得比容量高、长循环寿命的锂离子电池正极材料。研究结果表明,由高电位LMO与低电位LFP、LCO、NCM材料组成的复合材料,具有比LMO更高的比容量和更好的循环寿命。复合材料放电时Li+先嵌入高电位LMO,再向低电位材料迁移,LMO颗粒表面富集的Li+嵌入低电位材料,减少了 LMO材料颗粒表面Li+的富集,稳定材料结构,抑制其产生畸形应变。充电过程中,Li+从低电位材料脱嵌,高电位LMO的Li+,再向低电位材料迁移,形成一种“阶段脱锂”过程,达到充电缓冲的目的,从而提升材料的充放电循环性能。优化后的LMO-NCM复合材料表现出比容量高、倍率性能好、长循环寿命的优异综合性能。经过放大实际生产出了电池模块,其安全性能和电化学性能都达到了国家标准。市场化应用表明,LMO-NCM电池模块完全达到预期性能指标。
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