正極材料對鋰離子電池的低溫有什么影響？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-10-15 20:57
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正極材料
正極材料是制造鋰離子電池的關(guān)鍵材料之一，其性能直接影響電池的各項指標(biāo)，而材料的結(jié)構(gòu)對鋰離子電池的低溫性能有著重要的影響。
橄欖石結(jié)構(gòu)lifepo4具有放電容量大、放電平臺穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、循環(huán)性能好、原料豐富等優(yōu)點。然而，磷酸鐵鋰屬于PNMA空間群，P占據(jù)四面體位置，過渡金屬M占據(jù)八面體位置，李原子沿[010 ]軸在一維方向上形成遷移通道。這種一維離子通道導(dǎo)致鋰離子只能以單一方式有序分離或嵌入，嚴(yán)重影響鋰離子在材料中的擴(kuò)散能力。特別是在低溫下，鋰離子在體中的擴(kuò)散進(jìn)一步受阻，導(dǎo)致阻抗增大，極化更嚴(yán)重，低溫性能差。
ni-co-mn基linixcoymn1-x-yo2是近年來發(fā)展起來的一種新型固溶體材料，具有類似licoo2的單相層狀結(jié)構(gòu)。該材料具有可逆比容量高、循環(huán)穩(wěn)定性好、成本低等重要優(yōu)點。在動力電池領(lǐng)域也得到了成功的應(yīng)用，其應(yīng)用規(guī)模得到了迅速發(fā)展。但仍存在一些亟待解決的問題，如導(dǎo)電率低、大倍率穩(wěn)定性差等，特別是隨著鎳含量的增加，材料的高低溫性能變差。
富鋰錳基正極材料具有較高的放電容量，有望成為下一代鋰離子電池正極材料。然而，富鋰錳基材料在實際應(yīng)用中還存在許多問題：第一次不可逆容量大，充放電過程中易由層狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榧饩Y(jié)構(gòu)，導(dǎo)致過渡金屬離子的轉(zhuǎn)移堵塞了li+的擴(kuò)散通道；導(dǎo)致容量衰減嚴(yán)重，同時離子和電子導(dǎo)電性差，導(dǎo)致速率性能和低溫性能差。
提高陰極材料低溫擴(kuò)散性能的主要途徑如下：
用導(dǎo)電性能優(yōu)異的材料包覆活性材料的方法可以提高正極材料界面的導(dǎo)電性，降低界面阻抗，減少正極材料與電解液的副反應(yīng)，穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)。
Rui等人采用循環(huán)伏安法和交流阻抗法研究了碳包lifepo4的低溫性能。結(jié)果表明，隨著溫度的降低，碳包lifepo4的放電容量逐漸減小，在-20℃時僅為室溫下容量的33%。作者認(rèn)為，隨著溫度的降低，電池中的電荷轉(zhuǎn)移阻抗和韋伯阻抗逐漸增大，cv曲線中氧化還原電位差增大。這表明鋰離子在材料中的擴(kuò)散在低溫下減慢，并且由于電池中法拉第反應(yīng)動力學(xué)速率的減弱，極化明顯增加
從正負(fù)極材料和電解液看鋰電池低溫性能的改善
采用導(dǎo)電性優(yōu)異的材料對活性物質(zhì)本體進(jìn)行表面包覆的方法提升正極材料界面的電導(dǎo)率，降低界面阻抗，同時減少正極材料和電解液的副反應(yīng)，穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)。
通過Mn、Al、Cr、Mg、F等元素對材料本體進(jìn)行體相摻雜，增加材料的層間距來提高Li+在本體中的擴(kuò)散速率，降低Li+的擴(kuò)散阻抗，進(jìn)而提升電池的低溫性能。
降低材料粒徑，縮短Li+遷移路徑。需要指出的是，該方法會增大材料的比表面積從而與電解液的副反應(yīng)增多。
采用導(dǎo)電性優(yōu)異的材料對活性物質(zhì)本體進(jìn)行表面包覆的方法提升正極材料界面的電導(dǎo)率，降低界面阻抗，同時減少正極材料和電解液的副反應(yīng)，穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)。
通過Mn、Al、Cr、Mg、F等元素對材料本體進(jìn)行體相摻雜，增加材料的層間距來提高Li+在本體中的擴(kuò)散速率，降低Li+的擴(kuò)散阻抗，進(jìn)而提升電池的低溫性能。
降低材料粒徑，縮短Li+遷移路徑。需要指出的是，該方法會增大材料的比表面積從而與電解液的副反應(yīng)增多。
