EEM |芬兰 阿尔托大学Tanja Kallio教授:用于高性能锂离子电池的稳定富镍层氧化物电极

学术   2025-01-06 18:40   河南  


近日,芬兰 阿尔托大学Tanja Kallio教授Energy & Environmental Materials上发表题为Stabilized Nickel-Rich-Layered Oxide Electrodes for High-Performance Lithium-Ion Batteries的研究型论文。


亮点

1. 本研究的重点是通过ALD-MLD在LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2电极上沉积TiO2-邻苯二甲酸钛薄膜图层。该涂层是通过使用钛(IV)异丙氧胺、水和对苯二甲酸(TPA)作为前驱体来实现的。

2.  工作强调了TPA-Ti涂层在维持NMC811电极的机械完整性和稳定电极-电解质界面方面的关键作用。ALD-MLD涂覆样品表现出高度受控的结构变化,与未涂覆样品相比,其体积变化显著减少了10倍。

3. 这种创新涂层增强了ALD-MLD涂层的NMC811电极的容量保留,即使在500次循环后仍保持了85.7%的初始容量。相比之下,未涂覆的NMC811电极在相同的循环次数后只保留了其初始容量的56.2%。

研究背景
LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(NMC811)作为下一代锂电池电极材料具有很大的发展前景。然而,复杂的老化过程,包括有缺陷的二次NMC811相的形成,导致容量逐渐衰退。因此,电极老化仍然是一个重要的问题。为了延长锂离子电池的使用寿命,可以在电极表面涂上一层保护涂层,以消除与电解质的直接接触,防止副反应。原子层沉积(ALD)作为一种锂离子电池(LIB)电极的表面改性技术,近年来引起了广泛的关注。ALD采用自限制表面反应在各种衬底上产生NMC811电极,如氧化铝、二氧化钛、二氧化锆涂层作为电池电极材料的保护层。虽然用薄膜覆盖NMC粒子和电极可以延长电池寿命,但由于金属氧化物的锂离子导电性较差,它们往往会阻碍动力学的发展,导致初始容量较低。此外,通过ALD沉积的刚性金属氧化物层不能适应细胞循环过程中电极体积的变化,从而导致电极开裂。为了解决这些挑战,研究人员已经探索了一种通用的解决方案,即分子层沉积(MLD)的应用。MLD是一种利用有机材料沉积薄膜的技术。最近的研究主要集中在MLD薄膜的发展上,包括金属茂合物,它是由含金属的前驱体和醇结合合成的,以及其他有机/无机混合薄膜。特别是,通过MLD应用有机/无机混合薄膜已经引起了人们的关注。Momtazi等人成功地使用四异丙醇钛(TTIP)和琥珀酸培养了羧酸钛薄膜。这些MLD薄膜具有显著的柔韧性,在减缓长时间循环过程中的结构变形和保证正极材料的稳定性方面起着至关重要的作用。此外,这些涂层中存在的有机成分有助于增加晶体结构中锂离子扩散通道的数量,解决了通常与无机涂层相关的电导率限制。
在以往研究基础上,作者结合ALD和MLD技术合成一种新型的NMC811电极材料涂层。这种独特的方法增强了涂层的结构和化学稳定性,为在电池循环过程中保护NMC811电极提供了显著的好处。ALD-MLD工艺包括在200°C下,在预制对苯二甲酸钛在NMC811电极上沉积二氧化钛的有机无机涂层。该涂层是通过使用钛(IV)异丙氧胺、水和对苯二甲酸(TPA)作为前驱体来实现的。这种在NMC811电极上的新型有机金属涂层具有多种优点,包括减轻电解质氧化和还原电极腐蚀。此外,它显著提高了NMC811颗粒的力学完整性,稳定了NMC811电极和电解质之间的界面,有效地缓解了NMC811材料的不可逆结构相变。因此,ALD-MLD涂覆样品表现出高度受控的结构变化,与未涂覆样品相比,其体积变化显著减少了10倍。值得注意的是,这种创新涂层增强了ALD-MLD涂层的NMC811电极的容量保留,即使在500次循环后仍保持了85.7%的初始容量。相比之下,未涂覆的NMC811电极在相同的循环次数后只保留了其初始容量的56.2%。这一显著的改进归因于涂层的有机成分所赋予的灵活性,这大大增强了锂的扩散和增加了初始电池容量。通过这一创新的方法,该研究有助于开发一种新型先进的富镍层氧化物电极材料人工间相,为提高锂离子电池性能开辟了新的可能性。
文章简读
近日,芬兰 阿尔托大学Tanja Kallio教授在Energy & Environmental Materials上发表了题“Stabilized Nickel-Rich-Layered Oxide Electrodes for High-Performance Lithium-Ion Batteries”的研究论文。作者利用ALD和MLD技术研究了TiO2-对苯二甲酸钛(TPA-Ti)作为一种新型的NMC811电极纳米级涂层材料。评估了其对NMC811电极在半电池和全电池结构下的电化学性能和结构稳定性的影响。电化学结果表明,使用TPA-Ti涂层的NMC811电极的性能有了显著的改善。观察到容量保留率增强,NMC-TPA-Ti电极在500次循环后保留了其初始容量的86%,而在全电池配置中未涂覆的NMC-ref电极的容量保留率为56%。通过EIS和CV分析,发现NMC-ref电极中较厚的CEI生长和不可逆转变导致半电池的循环稳定性较差。相比之下,TPA-Ti涂层电极的裂纹形成减少,表明结构稳定性增强,抗降解性,稳定性提高。强调了TPA-Ti涂层在维持NMC811电极的机械完整性和稳定电极-电解质界面方面的关键作用。此外,本研究还为ALD-MLD涂层的研究提供了新的机会,从而提高了锂离子电池的整体性能和可靠性。
图文赏析


图1. a)一个包含被Pt薄膜覆盖的NMC-TPA-Ti的薄片层的FIB/SEM图像,b)NMC-TPA-Ti的STEM亮场图像和c) Ni和d) Ti元素的代表性EDS映射。


图2. Operando XRD结果:等高线图显示了a-c)NMC-ref和d-f)NMC-TPA-Ti的三个选择的2theta区域。

文章链接

Zahra Ahaliabadeh , Ville Miikkulainen, Miia M¨antym¨aki, Mattia Colalongo, Seyedabolfazl Mousavihashemi, Lide Yao, Hua Jiang, Jouko Lahtinen, Timo Kankaanp¨a¨a, and Tanja Kallio*, Stabilized Nickel-Rich-Layered Oxide Electrodes for High-Performance Lithium-Ion BatteriesEnergy Environ. Mater.  2024. DOI: 10.1002/eem2.12741

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12741

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