具元素濃度梯度的鋰離子電池正極材料

 

刊登日期:2017/3/5
  • 字級

具元素濃度梯度的鋰離子電池正極材料包含有鎳/鈷/錳等電化學活性元素或是鋁/鎂等摻雜元素,在材料粉體中呈現表面與核心間具有濃度梯度的結構材料。元素分佈結構設計是將較具穩定性的元素集中於正極材料表面,而較高容量的鎳元素集中於正極材料核心,這樣的結構設計可以充分發揮各個元素的特性,並可以以低劑量的摻雜元素即可達到高劑量元素摻雜的提升材料性能效果。因此,鋰電池正極材料可在強化結構穩定性及使用安全性的同時,兼顧材料的能量密度及放電能力,以製作高效能與高安全的鋰電池,藉以解決習用技術上難以兼顧的問題。
 
因應提升鋰離子電池能量密度的需求,在開發高能量密度的正極材料,主要有兩個研究方向,一是以提高材料本身克電容量為前提,採用以高鎳元素為主體之二元系LiNixCo1-xO2與三元系LiNixCoyMn1-x-yO2之層狀結構正極材料;另一則是以提高材料工作電壓的高電壓系列(>4.2 V)正極材料為發展方向。因為鎳、鈷、錳三者活性元素在層狀結構內的功用不同,造成沒有一種元素比例的LiNixCoyMn1-x-yO2正極材料能同時具有高電容量、高穩定性以及高安全性的特性(圖一)。

近來許多研究者思考在正極材料的粉體內變異不同化學劑量的金屬組成,並嘗試使用結構穩定較高的正極材料之活性元素比例構築正極材料粉體的表面;而以具高克電容量的正極材料之活性元素比例構築材料粉體的核心,因而誕生具元素濃度梯度(Concentration-gradient)的正極材料(圖二),以下介紹這系列材料。


圖一、Li/Li[NixCoyMnz]O2之放電克電容量、熱分解溫度以及充放電100圈後之電容量保持率
圖一、Li/Li[NixCoyMnz]O2之放電克電容量、熱分解溫度以及充放電100圈後之電容量保持率

 
具鈷/鎳濃度梯度結構的LiNiCoO2正極材料
Liu等人以化學共沉澱法將適量氫氧化鈷均勻地包覆在球狀的鎳鈷氫氧化物上,隨後混合氫氧化鋰,於氧氣氛下高溫燒結,合成出具鈷/鎳濃度梯度的LiNi0.72Co0.28O2正極材料(CG-LNCO)。由材料剖面的元素定量分析圖(圖三)中得知,CG-LNCO粉體表面之鈷劑量比為31.26 mol.%,隨後鈷劑量比從粉體表面至粉體核心呈現連續遞減,而在距離粉體表面6 μm的位置時,鈷的濃度降為20.00 mol.%。
 

圖三、具鈷/鎳濃度梯度的LiNiCoO2粉體表面與粉體剖面之元素分析
圖三、具鈷/鎳濃度梯度的LiNiCoO2粉體表面與粉體剖面之元素分析

 
具元素梯度摻雜之層狀正極材料
LiNiCoO2正極材料具有~200 mAhg-1的克電容量,但由於材料內鎳元素的含量較高,因此與有機電解液的反應性較強,造成其在使用上有安全的疑慮。為了提高LiNiCoO2正極材料的安全性,研究者在材料結構內摻雜鋁元素,合成LiNiCoAlO2,藉由穩定的Al3+-O穩定材料主層結構,並提升材料粉體與電解液相容性。其中,LiNiCoAlO2中鋁摻雜的劑量與其材料的熱安全效能成正比,但與其擁有電容量成反比,而若使用梯度結構的方式摻雜鋁元素,便可達到兼具電容量與安全性的正極材料。

在Hu等人的研究中,具鋁梯度結構的LiNiCoO2正極材料(LGNCAO),相較於粉體內元素劑量沒有改變的LiNiCoAlO2,在相對濕度65%的存放條件下,其生成的不導電膜較薄(圖十),由此可以看出LGNCAO擁有較穩定的材料結構,而此現象使材料在操作電壓4.2 V的循環壽命測試之下,LGNCAO保有較高的電容量(圖十一)。若將操作電壓提高至4.5 V時,Liu等人發現具鋁梯度結構的Al(GD)-LNCO正極材料除了較LiNi0.82Co0.18O2有較好電化學的效能表現之外,在DSC的測試中Al(GD)-LNCO也有較高的---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:任健汶、劉茂煌 / 輔仁大學(Fu Jen University)
★本文節錄自「工業材料雜誌」363期,更多資料請見下方附檔。


分享
為此篇文章評分

相關廠商