基本信息
所属科技项目名称:北京市自然科学基金-海淀原始创新联合基金前沿项目
项目主管部门:北京市科学技术委员会、中关村科技园区管理委员会
科技成果信息
科技成果名称:高镍低钴三元正极材料表面金属离子限域掺杂与电化学稳定性研究
关键词:动力电池正极材料,表界面调控,稳定性,高镍正极,纳米限域掺杂
科技成果类型:原始创新
科技成果所处阶段:实验室研究
科技成果应用领域:科学研究和技术服务业
科技成果简介:
本项目围绕具有高能量密度的高镍低钴正极材料界面层的组分调控和材料的稳定性、安全性而展开。相关研究致力于合成方法的创新,通过金属离子沉淀动力学的调控,获得均匀、可控的界面层,实现表面化学属性的系统调节,获得兼具高能量密度和高界面稳定性的正极材料。同时,以表面化学组分均一的高镍正极材料为模型研究体系,探讨表界面的结构控制与其器件稳定性之间的构效关系,对影响材料结构稳定性和器件安全性的机理进行系统解析,研究高比能电池的失效机理及防范机制,为高比能器件的安全应用提供关键技术手段和理论支撑。
正极材料界面组分的合理设计和可控构筑是本项目研究的基础。因此,在高镍材料粉体表面引入特定金属离子,并实现其分布的精确调控成为表面控制的关键。本项目针对工艺放大的需要开发以液相合成法为出发点的路线:通过溶液中金属离子活度的控制,实现正极材料粉体表面目标金属离子物种的可控缓慢沉积,再基于热处理工艺的控制实现表面阳离子的精确渗入,利用对表面沉积物种厚度的精确调控,达到在纳米精度范围内改性表面结构而不影响材料的界面电荷传输效果。本项目基于合成方法上的创新,开发了多种无损的包覆工艺方案,实现对含有金属离子的特定沉积物种(如氢氧化物、碱式碳酸盐、磷酸盐、金属有机化合物等)的可控构筑,以满足正极材料加工和生产的需要。
本项目针对正极材料表面控制的迫切需求,结合材料的后处理工艺,利用包覆物种与正极材料的界面固相反应实现对材料表面化学特性的优化设计,获得具有稳定晶格结构的表面并控制其电化学活性。系统考察界面不同阳离子对表面晶格的影响,结合金属离子与正极材料自身结构的作用,通过Zn2+、Fe3+一系列结构稳定型掺杂离子的引入,稳定表面的晶格结构,提升表面离子的稳定性。同时,对掺杂离子种类、浓度的控制和组合对掺杂离子在正极材料表面所处的晶格位置、掺杂浓度、渗透深度等关键参数的控制,实现外延生长层表面化学属性的系统调控和结构优化。
结合正极材料自身特性和高温条件下的可控表面固相反应,实现表面化学属性的系统调节。考察不同阳离子的引入及效果。结合合成方法的探讨及表面离子掺杂的系统设计,探讨不同金属离子在表面均一化的离子改性过程,从而达到对材料的表界面性能包括外延层深度、掺杂离子浓度、分布均匀性、电荷传输效果等一系列关键因素的系统调节,并对相应的正极材料进行电化学性能、热稳定性展开评价,获得最佳的表面外延层状态,在表面层优化设计的基础上提高正极材料在充放电过程中的循环性能和热稳定性。
以正极材料表面化学属性的系统调控为手段,基于具有明确、均一的表面离子掺杂结构的材料为模型,结合不同的表征手段,通过对充放电过程的中间状态和中间产物的分析,探讨与电池表面结构和正极材料特性相关的基础科学问题,明晰正极材料表面SEI膜的形成过程与表界面关系,材料的表面属性与特定电解液在表面上的催化过程,表面离子渗入种类、方式、效果及一系列因素与材料高温失活的内在联系,表面修饰与限制作用对充放电过程中材料的结构与性能变化的影响等等。同时,结合理论计算,对材料表界面失稳的机制、稳定的具体途径给出合理的解释。
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