【《三元正极材料的发展研究文献综述》1600字】

三元正极材料的发展研究文献综述（一）三元正极材料简介镍酸锂正极材料是层状结构（如图1.3），相对于钴酸锂来说，有着较高的电压平台，较低的生产成本，同时拥有较高的比容量，但是该材料存在很多问题，通过利用其他金属元素进行掺杂，如钴、锰、铝等，可以在一定程度上优化材料的安全性能与循环稳定性。根据掺杂的元素不同，三元正极材料可以分为由镍钴锰组成的NCM、镍钴铝组成的NCA以及一些其他的组成等几种[5]。不同掺杂的元素在三元正极材料中的作用各不相同[6]。用镁元素或者是铝元素进行掺杂时，由于镁离子与铝离子都是不可变价的金属离子，因此在充放电过程当中，他们能够起到稳定层状结构的作用[7]；掺杂钴元素可以减少阳离子混排占位，来稳定层状结构[8]。图1.3三元层状氧化物正极材料结构[9]（二）三元正极材料的问题1.阳离子混排由于锂离子的离子半径（0.072nm）与二价镍离子的离子半径（0.069nm）相差不大，在充电过程中，锂离子从层状结构的空隙中脱出后，层与层之间就产生了许多空位，则会使相邻两层之间的排斥力增大，为镍离子向锂离子空位的迁移提供动力，造成了这两种阳离子之间的混排，当镍离子占据锂离子空位时，会阻碍锂离子进行迁移，一方面使得材料的阻抗上升，另一方面使得材料的比容量降低。随着镍离子向锂离子空位迁移程度的增大，材料的层状结构逐渐向岩盐相转变，这种不可逆相变最终导致材料性能降低[10]。2.不可逆相变过程镍酸锂层状氧化物在进行充放电的过程中，随着锂离子的反复嵌入与脱出，将会逐渐发生不可逆的相变过程。该材料的晶体结构为R3m空间点群，由氧原子排列形成AB-CA-BC的框架，然后由过渡金属原子与锂原子分别依次交替占据氧层之间的八面体空隙，形成了典型的O3结构。在充电过程中，随着锂离子的迁出，当锂离子的含量降低到0.8时，该材料的结构从六方相H1转变为单斜相M；当继续充电使得锂离子的含量降低到0.4~0.36之间时，结构又从单斜相M转变为六方相H2；如果再通过充电来使锂离子含量降低至0.26，将会发生六方相H2到六方相H3的相变，这是一个不可逆的过程3.材料的热失控镍酸锂材料存在发生热失控的风险，根据研究表明[3]，热失控主要分为以下几个步骤，首先在大约100℃左右，开始发生电极与SEI膜之间的分解反应；然后到了150至200℃左右，主要进行的是碳负极与电解液之间的副反应；继续升温至200到300℃之间，正极材料开始分解，并且与电解液发生副反应；当温度到达300℃，电解液也开始发生分解反应；接下来便开始进行放热链式反应，即热失控过程。对于锂离子电池热稳定性的改善可以从正极材料和电解液两方面入手。正极材料的改性可以通过离子掺杂、包覆改性以及特殊的结构设计来达到目的[3]。离子掺杂改性的机理是通过金属离子替代一部分过渡金属，来增强金属离子与氧离子之间的键能，使得晶体结构更加稳定，能够更好地抑制氧气分子的释放。表面包覆的机理是利用包覆材料在一定程度上将电解质溶液与使用的正极材料相互分隔开来，可以抑制由于二者接触而产生的副反应，达到提升材料热稳定性的目的。如果将三元材料设计为特殊的结构，例如分为内外两层组分与结构不尽相同的核—壳结构，或者由内到外浓度按照一定规律变化的浓度梯度结构，可以在一定程度上增强材料的热稳定性[9]。对电解液热稳定性的改善，可以通过开发新型的高热稳定性的有机溶剂，或者在电解液中加入一定含量的阻燃剂，能够做到中止放热反应或者起到物理阻隔得作用，进一步使锂离子电池的安全性能得到了提升。参考文献[1]YongLu,QiuZhang,JunChen.Recentprogressonlithiumbatterieswithhighelectrochemicalperformance[J].ScienceChinaChemistry,2019,62,533-548.[2]YongLu,JunChen.Prospectsoforganicelectrodematerialsforpracticallithiumbatteries[J].NatureReviewsChemistry,4,127–142.[3]张跃强，田君，赵鼎，等.高镍三元电池热反应机理及其改善性研究进展[J].电源技术，2019,43(07),1223-1225.[4]王伟东，仇卫华，丁倩倩，等.锂离子电池三元材料：工艺技术及生产应用[J].北京：化学工业出版社，2015.3.[5]PengfeiZhou,HuanjuMeng,ZhenZhang,etal.StablelayeredNi-richLiNi0.9Co0.07Al0.03O2.microspheresassembledwithnanoparticlesashigh-performancecathodematerialsforlithium-ionbatteries.JournalofMaterialsChemistryA,2017,5,2724.[6]Kang-JoonPark,Hun-GiJung,Liang-YinKuo,etal.ImprovedCyclingStabilityofLi[Ni0.90Co0.05Mn0.05]O2ThroughMicrostructureModificationbyBoronDopingforLi-IonBatteries.AdvancedEnergyMaterials,2018,8,1801202.[7]HangLi,PengfeiZhou,FangmingLiu,etal.Stabilizingnickel-richlayeredoxidecathodesbymagnesiumdopingforrechargeablelithium-ionbatteries[J].ChemicalScience,2019,10,1374-1379.[8]JiUngChoi,NataliaVoronina,Yang-KookSun,etal.Recentprogressandperspectiveofadvancedhigh-energyCo-lessNi-richcathodesforLi-ionbatteries:yesterday,today,andtomorrow[J].AdvancedEnergyMaterials,2020,2002027.[9]YongLu,YudongZhang,QiuZhang,etal.RecentadvancesinNi-richlayeredoxideparticlematerialsforlithium-ionbatteries[J].Particuology,2020,53,1-11.[10]李想，葛武杰，王昊，等.高镍系三元层状氧化物正极材料容量衰减机理的研究进展[J].无极材料学报,2017,32(02),113-121[11]ChaoXu,PhilipJ.Reeves,QuentinJacquet,etal.PhasebehaviorduringelectrochemicalcyclingofNi-richcathodematerialsforLi-ionbatteries.AdvancedEnergyMaterials,2020,2003404.[12]Geon-TaePark,Hoom-HeeRyu,