Al2O3+石墨烯摻混提升軟包電池性能
時(shí)間:2020-12-28 22:11來(lái)源:新能源Leader 作者:憑欄眺
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添加劑是改善鋰離子電池電極性能、 提升電池性能的有效方法，近日，福建師范大學(xué)的Yongcong Huang（第一作者）和Jiaxin Li（通訊作者）、Zhigao Huang（通訊作者）等人在NCM523電極中添加了少量的Al2O3和石墨烯，顯著減少了電池大電流放電過(guò)程中的產(chǎn)熱，降低了電池的熱失控風(fēng)險(xiǎn)。
實(shí)驗(yàn)中采用的正負(fù)極配方如下表所示，正極活性物質(zhì)未NCM523材料，活性物質(zhì)涂布量為30mg/cm2，負(fù)極為石墨，涂布量為17mg/cm2，N/P比為1.1。上述電極制成規(guī)格為303450的軟包電池，電解液為1MLiPF6，溶劑配方為EC：EMC：DMC=1：1：1。
下圖分別為純NCM，摻入石墨烯的NCM-Gs，摻入氧化鋁的NCM-Al2O3，和氧化鋁、石墨共摻的NCM-Al2O3&Gs材料的掃描電鏡圖片，從下圖的h和i能夠清楚的看到納米尺寸的氧化鋁顆粒已經(jīng)成功的摻入了電極的活性物質(zhì)層之中。從下圖的k和l能夠看到無(wú)論是Al2O3，還是Gs都能夠較為均勻的分散在電極層之內(nèi)。
從下圖b的倍率性能測(cè)試結(jié)果可以看到，添加石墨烯的電極由于形成了長(zhǎng)程、短程復(fù)合的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，電極的倍率性能相比于未添加的樣品有了明顯的提升，即便是僅添加氧化鋁的電極的倍率性能相比于對(duì)照組也由明顯的提升，這主要得益于納米尺寸的氧化鋁摻入電解液中后會(huì)在其表面負(fù)極形成快離子通道，從而促進(jìn)鋰離子的擴(kuò)散。
從下圖c的25℃1C循環(huán)性能圖能夠看到，常溫下經(jīng)過(guò)400次循環(huán)后，純NCM，摻入石墨烯的NCM-Gs，摻入氧化鋁的NCM-Al2O3，氧化鋁、石墨共摻的NCM-Al2O3&Gs材料的容量保持率分別為90.8%，95.0%，91.5%和93.6%，當(dāng)我們將電池的放電倍率提高到3C（下圖d）后，經(jīng)過(guò)400次循環(huán)后的電極的容量保持率分別為73.6%，79.3%，76.2%和76.9%，摻入氧化鋁和石墨的電極循環(huán)性能有一定的提升。如果我們進(jìn)一步將溫度提升至50℃，則這種差距會(huì)更為明顯（如下圖e所示）。
下圖b為經(jīng)過(guò)400次循環(huán)的四種電極的EIS圖，從圖中能夠看到含有石墨烯添加劑的電極的阻抗相對(duì)較少，而不添加任何添加劑的電池的則界面阻抗最大。
下圖為在50℃下循環(huán)400次后的正極的XPS分解結(jié)果，從圖中能夠看到添加氧化鋁、石墨烯的電極中的Ni2+含量較高，特別是氧化鋁、石墨烯混摻的電極的Ni2+含量最高，作者認(rèn)為Ni2+有利于穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)，有利于提升材料的循環(huán)性能。從O1s圖中能夠看到位于529.9eV的為晶格氧的峰，可以看到對(duì)照組的晶格氧含量要明顯的低于摻雜的NCM材料，表明電解液再普通的NCM電極表面的分解更為嚴(yán)重，產(chǎn)生了較多的分解產(chǎn)物。
在下圖中作者通過(guò)Ar離子侵蝕的方式獲得了不同深度正極界面膜的成分信息，腐蝕深度分別為0、3.24、6.48和9.72nm， 從下圖可以看到在872.3eV處的Ni2p1/2特征峰隨著腐蝕深度的增加而逐漸增強(qiáng)，不同的是摻入氧化鋁、石墨烯的電極Ni2p1/2特征峰強(qiáng)度在表層就達(dá)到最大，而對(duì)照組的NCM523材料在腐蝕深度大于6.48nm時(shí)，才達(dá)到最大強(qiáng)度，這表明摻入氧化鋁、石墨烯的NCM523電極具有較薄的界面層。
下圖中作者對(duì)電池在放電的過(guò)程中的產(chǎn)熱進(jìn)行了研究，在下圖b中作者展示了四種電池在5C倍率下放電至不同放電深度時(shí)電池的表面溫度分布，可以看到溫度在電池表面的分布相對(duì)比較均勻，表明電池的制備工藝較好，電池沒(méi)有明顯的制造缺陷。下圖c中展示了四種電池在放電過(guò)程中的溫度變化，在放電到100%DOD時(shí)NCM、NCM-Gs、NCM-Al2O3和NCM-Al2O3&Gs電池的表面平均溫度分別為40.8、38.1、39.7和38.6℃，表明石墨烯導(dǎo)電劑的加入有效的提升了NCM電極的電子電導(dǎo)率，減少放電過(guò)程中的極化現(xiàn)象，減少了電池產(chǎn)熱。
下圖中作者采用針刺實(shí)驗(yàn)對(duì)滿電狀態(tài)電池的安全性進(jìn)行了檢測(cè)， 從下圖可以看到普通的NCM電池在針刺60s后電池升至最高溫度80.3℃，大約在350s后溫度降低到了46℃，而添加Al2O3&Gs電池在85s后達(dá)到最高溫度70℃，大約350s后電池降低至40℃，這表明添加Al2O3&Gs的電池不僅產(chǎn)熱速率更慢，電池溫升也更小，因此整體電池的熱穩(wěn)定性也會(huì)更好。
Yongcong Huang的工作表明在NCM523電極中加入部分的氧化鋁和石墨烯后能夠有效的減少界面副反應(yīng)，減少放電過(guò)程中的產(chǎn)熱，提高電池的安全性。
本文主要參考以下文獻(xiàn)，文章僅用于對(duì)相關(guān)科學(xué)作品的介紹和評(píng)論，以及課堂教學(xué)和科學(xué)研究，不得作為商業(yè)用途。如有任何版權(quán)問(wèn)題，請(qǐng)隨時(shí)與我們聯(lián)系。
Pathways toward Improved Performance of NCM523 Pouch Cell via Incorporating Low-Cost Al2O3 and Graphene, ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 10920−10930, Yongcong Huang, Qian Liu, Lan Chen, Jianming Tao, Guiying Zhao, Yue Chen, Jiaxin Li, Yingbin Lin, and Zhigao Huang
(責(zé)任編輯：子蕊)
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