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1钴酸锂存在的问题
由于正极材料本身的局限性,高电压下过量脱锂导致层状结构不稳定,产生体相结构变化,伴随着相变和体积变化,使得晶胞参数变化、晶界错位、应力变化、颗粒开裂,导致容量快速衰减;体相结构体积变化影响到表面结构变化,使得表面易产生裂纹,导致表面热稳定性减弱、金属溶解、析氧等;表面结构的变化伴随着界面副反应及氧的转移,使得电解液氧化、内阻增加、产气、热稳定及安全性能下降等,导致一系列宏观电池失效行为
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在高电压下相变的可逆程度是决定钴酸锂应用的关键,而期望用单一的方法解决高压钴酸锂的问题是不现实的。结合有效掺杂、共包覆、高压电解液及新功能隔膜配套使用来缓解钴酸锂电池内部失效,从而改善高压钴酸锂
体相掺杂能够稳定材料结构,抑制不可逆相变,提高材料循环性能。体相掺杂包含:(1)阳离子掺杂:阳离子通常指价态不正三价的离子,主要有锂空位、锂离子、镁离子、铝离子、锆离子等。A.R.West等[8]将镁离子引入到钴酸锂中
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三价元素掺杂铝离子是成功的一员,铝离子掺杂进入材料晶胞,取代钴离子的位置。铝离子半径与钴离子相近,使得铝离子更易均匀掺杂到钴层中,并不影响锂离子的传输,同时铝离子不参与反应,起到稳定骨架的作用;(2)阳离子掺杂:阳离子掺杂通常指价态正三价的离子,主要包括钛、锰、锆、钼、钨等离子。Gopukumar等[12]发现适量的钛掺杂能提高材料的放电比容量,同时钛元素的掺杂后能降低钴的平均价态,提高材料循环稳定性
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表面包覆能够抑制表面元素溶解,稳定表面结构,提升电化学性能。表面包覆包括:(1)电子导体包覆:碳元素是一种电子导体材料,J.Kim等[15]通过低温液相法将碳元素包覆在钴酸锂表面,他们发现碳能够提高循环性能、倍率性能及高温存储性能;(2)离子导体包覆:LATP是一种良好的离子导体材料,Morimoto等[16]应用机械法将电解质LATP包覆在钴酸锂表面,提高钴酸锂在4.5V的循环性能及倍率性能
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(3)电子离子双导体包覆:电极是一种的电子离子导体,JoongSun Park等[17]发现AlWxFy是一种良好的电子离子导体,包覆钴酸锂在4.5V下具有电化学性能;(4)电子离子双绝缘包覆:常用的有镁、铝、钛、锆等氧化物。2016年XieMing等[18]发现,三氧化二铝包覆的样品,在4.7V下具有更加的电性能
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由于3C及其他领域对电池的能量密度要求越来越高,快速充电越发流行,钴酸锂必然朝着更高电压、更大倍率方向发展。高压钴酸锂的难点主要集中在以下几个方面:
(1)体相结构的控制:在高电压下,层状结构钴酸锂由于过度脱锂,结构发生剧烈变化,伴随着相变及应力的产生,过度的应力会使颗粒开裂,破坏体相结构,使得循环性能变差。可以通过微量元素共掺杂来抵消应力,以达到抑制材料开裂的目的;