中國粉體網(wǎng)訊 隨著電動汽車的發(fā)展，對于長續(xù)航動力鋰電池的需求日益增加。富鋰錳基鋰電池正極材料因其高比容量、高工作電壓、熱穩(wěn)定性好、低成本等優(yōu)點備受關(guān)注，是具有潛力的動力型正極材料，然而，其本身在循環(huán)中首效低、循環(huán)性能和倍率性能差、電壓衰降嚴重、無相匹配的高壓電解液等缺點，阻礙其進一步商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員武建飛帶領(lǐng)的先進儲能材料與技術(shù)研究組，針對富鋰錳基正極材料的發(fā)展瓶頸，開發(fā)出多項改性策略和關(guān)鍵技術(shù)，取得相關(guān)研究成果，為解決富鋰錳基正極材料產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展難題奠定研究基礎(chǔ)。
作為動力電池正極材料中的重要元素之一，鈷起到穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)和提高循環(huán)、倍率性能的重要作用。然而，鈷作為不可再生金屬，資源量稀缺，有限的鈷資源無法支撐新能源汽車無限的發(fā)展空間。此外，鈷對正極材料本身的成本影響也很大。由于鈷需求的增加，鈷的價格持續(xù)增長，對電池行業(yè)的低成本提出挑戰(zhàn)。鈷的稀缺和高價格將逐漸限制電動汽車市場的未來，如果將電池中的鈷成分降低甚至取消，電動車將會更具性價比。因此，開發(fā)鈷含量較低的正極材料至關(guān)重要，低鈷甚至無鈷逐漸成為電池發(fā)展的趨勢，無鈷電池正是基于這一現(xiàn)實情況而誕生，因而業(yè)界在無鈷電池上的做出多方面努力。正極材料中去鈷或少鈷，面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)之一是如何解決鋰鎳混排以及金屬溶出的問題，否則正極材料的穩(wěn)定性、循環(huán)性能、倍率性均較差。普遍的“無鈷”概念是將正極材料中的鈷含量降低，用摻雜包覆其他元素的方法來“補償”，從而保證正極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
近日，武建飛研究組在富鋰正極材料的基礎(chǔ)上實現(xiàn)無鈷化，開發(fā)出高性能無鈷富鋰錳基正極電池體系，這降低正極材料的成本，進一步提升富鋰正極材料的電化學性能。該無鈷富鋰錳基正極材料的首次放電比容量達到250 mAh·g-1（圖A）的同時，去鈷后的富鋰正極材料反而其循環(huán)壽命得到提升，在0.5C倍率下經(jīng)過300次充放電循環(huán)后仍有96%的高容量保持率（普通富鋰正極材料只有50%，圖B）。此外，倍率性能也獲得改善且回復率高（圖C）。該無鈷富鋰錳基體系對抑制循環(huán)過程中的電壓衰降表現(xiàn)出色，經(jīng)過100圈循環(huán)后幾乎沒有明顯的電壓衰降（圖F）；即使經(jīng)過大電流的長循環(huán)，正極材料的結(jié)構(gòu)也能保持很好的穩(wěn)定性（圖L）。同時，該體系使用比普通體系更低濃度的鋰鹽電解液（＜1M-LiPF6），在提升無鈷富鋰材料的電化學性能的同時進一步降低電池體系的成本。
無鈷富鋰錳基正極材料體系的開發(fā)，實現(xiàn)真正意義上的正極材料無鈷化，降低了正極材料的成本，提高富鋰錳基正極材料的循環(huán)穩(wěn)定性，抑制循環(huán)過程中的電壓平臺衰降，這將更凸顯富鋰正極材料在與其他正極材料中的競爭優(yōu)勢。對于電池行業(yè)而言，這可以使鋰電池成本降低、壽命提升，提升電動汽車的續(xù)航里程，并為長續(xù)航動力鋰電池提供關(guān)鍵的材料解決方案。該體系的開發(fā)將豐富無鈷電池市場，進一步推動無鈷電池發(fā)展，并有望實現(xiàn)無鈷富鋰錳基鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化應用，具有重要的商業(yè)化前途和應用價值（專利CN202011120181.3）。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/Betty）
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