高等学校化学学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (1): 20220263.doi: 10.7503/cjcu20220263
赵霄朗1,2, 杨梅2, 王江艳2,3(
), 王丹1,2,3()
收稿日期:2022-04-19
出版日期:2023-01-10
发布日期:2022-05-10
通讯作者:
王江艳,王丹
E-mail:jywang@ipe.ac.cn;danwang@ipe.ac.cn
基金资助:
ZHAO Xiaolang1,2, YANG Mei2, WANG Jiangyan2,3(), WANG Dan1,2,3()
Received:2022-04-19
Online:2023-01-10
Published:2022-05-10
Contact:
WANG Jiangyan, WANG Dan
E-mail:jywang@ipe.ac.cn;danwang@ipe.ac.cn
Supported by:摘要：
富锂正极材料因具有较高的理论能量密度, 被视为极具发展潜能的新一代正极材料, 但该材料在循环过程中容量和电压衰减显著, 导致其实际商业应用受阻. 本文综合评述了通过结构设计和表面调控提高富锂正极材料储锂性能的研究进展, 介绍了富锂正极材料的充放电工作机制, 及导致其比容量和电压衰减的原因, 讨论了近年来通过新型结构设计(如构筑蛋黄-蛋壳中空结构、 中空多壳层结构等)和表面调控(如尺寸控制、 暴露晶面控制、 表面尖晶石化、 表面包覆、 表面掺杂等）策略, 抑制富锂正极材料表面氧析出和晶型转变并稳定材料结构, 从而抑制电压和比容量衰减, 有效提高电池的循环寿命和库伦效率的相关研究成果, 最后, 提出了通过结构设计和表面调控提高富锂正极材料电化学性能面临的挑战, 并对未来发展方向进行了展望.
中图分类号:
TrendMD:
赵霄朗, 杨梅, 王江艳, 王丹. 富锂正极材料结构设计和表面调控的研究进展. 高等学校化学学报, 2023, 44(1): 20220263.
ZHAO Xiaolang, YANG Mei, WANG Jiangyan, WANG Dan. Progress in the Structure Design and Surface Manipulation of Lithium-rich Cathode Materials. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(1): 20220263.
Fig.1 Methods of structural design and surface manipulation improving the performance of lithium⁃rich cathode materialsHoMS: hollow multishelled structure; TM: transition metal.
Fig.2 Overview on basic aging mechanisms of LIB cathode materials[39]Copyright 2005, Elsevier.
Fig.3 Average voltage reduction after Mn3+/4+ and Co2+/3+ activated(A)[17], spinel phase appearance after cycling(B)[40], cracks appearance after cycling(C)[33](A) Copyright 2018, Springer Nature; (B) Copyright 2016, the Royal Society of Chemistry; (C) Copyright 2016, American Chemical Society.
Fig.4 Schematic illustration for the synthesis of yolk⁃shell structured Li⁃rich cathodes(A), SEM and TEM(inset) images of YK⁃LMNCO(B), cycle performances and voltage performance(inset) of SM⁃LMNCO and YK⁃LMNCO at 2C(C), cycling test of YK⁃LMNCO at 10C(D)[41]Copyright 2021, Springer.
Fig.5 Schematic illustration for the synthesis of LRLO⁃500@S@C sample(A), TEM image and corresponding EDS mappings of Mn, Ni, Co, O and C elements for LRLO⁃500@S@C(B), cycling performances at 1C(C) and 5C(D)[75](A—D) Copyright 2019, Elsevier.
Fig.6 Rate performance of single crystal particles samples and Nanoscale particle samples(A), discharge capacity retention of samples s—g and cop at 0.1C(B) and 0.2C(C)[90], Co L3 low/high energy peak ratio of the crystal samples(D), first charge⁃discharge profiles of samples at 10 mA/g(E), capacity retention of the half⁃cells cycled between 2.5 V and 4.6 V at 20 mA/g(F)[91](A—C) Copyright 2020, Elsevier; (D—F) Copyright 2017, Wiley⁃VCH.
Fig.7 Schematic illustration of the (001) nanoplates and the (010) nanoplates microstructure of their surfaces(A), discharge capacity at a rate of 6C and cyclability of HTN⁃LNMO compared with CN⁃LNMO and LNMO particles(B)[93], schematic illustration of hierarchical Li1.2Ni0.2Mn0.6O2(C), cycling performance of HSLR materials at a rate of C/10 and the corresponding voltage profile and dQ/dV plots inset)(D)[94](A, B) Copyright 2010, Wiley⁃VCH; (C, D) Copyright 2014, Wiley⁃VCH.
Fig.8 Schematic particles of the pristine LXMO(P⁃LXMO) and ASR conducted LXMO(ASR⁃LXMO)(A), the cycling performance of discharge capacity, voltage, and coulombic inefficiencies cumulant(CIC) of P⁃LXMO and ASR⁃LXMO cathodes within 2.0—4.8 V under 60 mA/g in coin half⁃cells(B)[97]Copyright 2020, Wiley⁃VCH.
Fig.9 Schematic illustration of structural components(A) and HAADF⁃STEM image for M⁃LMNO sample(B), rate capability and extra⁃long cycling life(C) and corresponding discharge medium voltage and coulombic efficiency at a rate of 1C(D)[98]Copyright 2020, Wiley⁃VCH.
Fig.10 Schematic illustration of Li⁃rich with the stabilization effect of novel surface modification(A) and cycle performance of the bare and surface coated Li⁃rich at 60 °C(B)[101]Copyright 2015, Wiley⁃VCH.
Fig.11 TEM images of ZrO2⁃coated Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2(5%, mass fraction)(A) and ZrO2⁃coated Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2(1%, mass fraction)(B), cycle performance of bare and ZrO2⁃coated Li⁃rich in the voltage range of 2.0—4.8 V at rates of 0.5C(C) and 0.2C(D)[113]Copyright 2013, Elsevier.
Fig.12 TEM images(A) and schematic illustrations of the formation process of Li⁃rich@C(B), cycle performance at a rate of 0.2C(C) and rate capability at different testing conditions of Li⁃rich(D)[119]Copyright 2014, the Royal Society of Chemistry.
Fig.13 Multifunction protections of PAA binder for LRMO cathode(A), average discharge voltage fading(B) and long⁃term cycling performance charge⁃discharge profiles of the LRMO⁃PAA and LRMO⁃PVDF electrodes(C)[121]Copyright 2020, Wiley⁃VCH.
Fig.14 Schematic process of surface doping and the Nb⁃enhanced surface structure(A), comparison of the electrochemical and thermal performances at a rate of 0.1C of LMR and LMR⁃Nb(B)[124], cycling performances and HAADF⁃STEM images and atomic models(insets) of Zr⁃modified(right) and pristine(left) LMR material after 100 cycles at C/3 between 2.0 and 4.8 V(C), comparison of rate performance of the pristine and Zr⁃modified LMR evaluated at ascending current rates of C/10, C/5, C/3, C/2, 1C, 2C and 3C, respectively(D)[125](A, B) Copyright 2018, Wiley⁃VCH; (C, D) Copyright 2018, American Chemical Society.
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