低温等离子体在锂离子电池材料中的应用

doi:10.7503/cjcu20200675

摘要/Abstract

摘要：

综合评述了低温等离子体技术的基本原理、常用方法及其在锂离子电池材料领域中的研究进展, 重点评述了等离子体技术在锂离子电池正极、负极、隔膜及固态电解质等重要组分中的材料制备与表面改性方面的主要研究结果和应用优势, 并对其所面临的挑战和未来的应用方向进行了展望.

关键词: 低温等离子体, 锂离子电池, 材料制备, 表面改性

Abstract:

With the increasing demands for the Li-ion batteries with high energy and power density， high safety， and long cycle life， the development of high-performance materials through proper structure design and surface functionalization is of great importance. To realize the high performance of materials for Li-ion batteries， advanced processing methods with high efficiency， low cost and simplicity are quite necessary， especially for material synthesis and surface modification. As a simple， fast， high efficiency， and eco-friendly processing technology in the synthesis of nanomaterials， low temperature plasma has been widely explored in the development of materials in Li-ion batteries during recent years and shown great potential for practical applications. This paper reviews the basic principle and common technologies of low temperature plasma， as well as the progress of the applications of plasma in the Li-ion batteries. The applications of low temperature plasma for the material synthesis and surface modification of the essential components of Li-ion batteries， including anodes， cathodes， separators and solid-state electrolytes， are mainly focused on. For the material synthesis， plasma can accelerate the crystal growth， reduce the reaction temperature， and obtain uniform nanostructure by avoiding agglomeration during the growth of particles. Assisting deposition of films and making dense solid-state electrolytes with less contamination are also the merits of low temperature plasma in material synthesis. For the surface modification， plasma can improve the surface properties by in situ coating， etching， and doping with proper atmosphere and functionalize the surface by graft polymerization and the formation of radicals or functional groups. At the same time， surface cleanliness， polarity and wettability can also be changed by plasma processing. These unique characteristics of plasma and the advantages on the applications for Li-ion batteries are thoroughly discussed in this review. In addition， the challenges and directions for future research of the plasma are also prospected.

Key words: Low temperature plasma, Li-ion battery, Material synthesis, Surface modification

中图分类号:

O646

TrendMD:

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图/表 10

Fig.1 Schematic of low temperature plasma technology for Li?ion batteries

表1 中归纳了目前锂离子电池中常用的等离子体技术及其应用优势.

Table 1 Plasma technologies commonly used for Li-ion batteries

Plasma technology	Applications for Li?ion battery	Advantage
Glow discharge plasma	Surface processing, such as etching and doping	Simple, inexpensive, wide pressure range
Dielectric barrier discharge plasma(DBD)	Synthesis and polymerization of materials	Simple excitation, wide pressure range, large plasma discharge zone
Radio frequency(RF) plasma	Synthesis of electrode materials and solid?state electrolytes, surface etching	Less charge accumulation
Spark plasma sintering(SPS)	Synthesis of electrode materials and inorganic solid?state electrolytes	Short holding times, reduced temperature, pressure to achieve dense materials
Plasma?enhanced chemical vapor deposition(PECVD)	Synthesis of thin films and coatings	Lower temperature for deposition and high film quality
Magnetron sputtering	Synthesis of thin films and inorganic solid?state electrolytes	High film purity and density, good contact with the substrate and low damage to the substrate, controllable film thickness
Plasma spray	Synthesis of thin films and coatings	High film quality and density, no damage to substrate

Fig.2 Plasma?enhanced low temperature preparation of LiMn2O4[24](A) Schematic diagram of the plasma-enhanced tube furnace for the preparation of LiMn2O4; (B) XRD patterns for the as-prepared spinel LiMn2O4 by the plasma-enhanced low temperature solid-state method(PLA-LMO-30) and the conventional thermal annealing method(LMO-40 and LMO-4 h). Copyright 2016, Royal Society of Chemistry.

Fig.3 Schematics for the Li?doped carbon material by solution plasma process[36](A) Schematics showing concept of anode material and solution plasma process; (B) schematic showing formation of Li domains and delithiation process. Copyright 2018, Wiley.

Fig.4 Co3O4 /graphene nanocomposites prepared by low pressure capacitively?coupled?plasma treatment[44](A) Schematics for the synthesis process of Co3O4/graphene nanocomposites by CCP treatment; (B) TEM images of graphene/Co3O4 nanocomposites; (C) the cycling performance and coulombic efficiency of Co3O4/graphene nanocomposites with/without CCP treatment at the current density of 125 mA/g. Copyright 2017, Elsevier．

Fig.5 Plasma nitriding process of nitride decorated nickel foams(PNNF)[53](A) The schematics of the plasma nitriding process of PNNF; (B) SEM images of nickel foam(NF); (C) SEM images of PNNF. Copyright 2019, Elsevier．

Fig.6 Illustrative comparison of lithium ion flux through pores of the separators and the resulting SEI layers[69](A) Lithium ion flux in cells with bare separators; (B) lithium ion flux in cells with negatively charged separators.Copyright 2019, American Chemical Society．

Fig.7 Interfacial liquid plasma polymerization of the polymer electrolyte from ionic liquids(IL)[81](A) Scheme illustrating the synthesis route of the polymer electrolyte from ionic liquid and surfactant via interfacial liquid plasma polymerization; (B) photographs of polymer electrolyte films on glass substrates with different plasma exposure times; (C) surface and cross-sectional morphology of polymer electrolyte film; (D) thermal properties of polymer electrolyte. Copyright 2016, American Chemical Society.

Fig.8 Nano?thin graphite layer covered LiMn2O4 electrode via room?temperature DC magnetron sputtering[83](A) Schematic diagram for the preparation of the graphite layer covered LiMn2O4 electrode; (B) schematic conduction/diffusion of electron and lithium ions during the electrochemical kinetics process in the BLMO and GLMO-30 electrode, respectively; (C) cycle performance of the electrodes at 1C rate under 55 ℃. Copyright 2014, Royal Society of Chemistry．

Fig.9 Water?soluble CMC?based LiFePO4 electrode for aqueous Li?ion battery systems protected by a plasma induced thin membrane[88](A) Schematic for the electrode protected by a thin membrane obtained by the plasma treatment; (B) stability of the untreated electrode before, during, and after immersion in water; (C) comparative result obtained with plasma treated electrodes. Copyright 2020, American Chemical Society.

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