随着顶刊教测试｜JACS:准固态锂电池中LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2概况正极界里层的动态演化 – 质料牛

发布时间：2024-11-15 06:51:47 来源： 作者：

钻研布景

可充锂离子电池（LIBs）果其下能量战下功率稀度、随着试环保性战正在普遍规模的顶刊的动潜在操做而被感应是便携式电子配置装备部署、先进机械人足艺战电动汽车最有远景的教测极界储能配置装备部署之一。可是固态O概它们的商业化操做受到一些妨碍，好比牢靠性厌战工做电压有限，锂电里层料牛那尾要与液态电解量的池中操做有闭。正在固态锂电池（SSLBs）中，况正不成燃固态电解量的态演操做本则上可能处置牢靠问题下场，增长下压正极质料战锂金属背极的化质去世少。尽管SSLBs具备迷人的随着试下风，但斥天下能量稀度战经暂经暂性的顶刊的动开用SSLBs依然存正在良多挑战，主假如电极概况的教测极界界里问题下场。电极概况/界里的固态O概化教不晃动性会激发副反映反映并耗益活性物量，并导致宏大大的锂电里层料牛界里电阻。此外，池中正极的界里挨算及其正在充放电历程中的界里演化可能直接影响电极的电化教反映反映，从而影响电池的降解机制。因此，周部份会正极概况的界里征兆，收罗界里电阻的动态演化、界里层的形貌战组成历程，对于正极的钻研具备尾要意思，可从底子上提供电池的根基功能机制，并为SSLBs的劣化设念提供建议。

功能简介

远日，中科院化教所万坐骏院士战文钝钻研员以“Dynamic Evolution of a Cathode Interphase Layer at the Surface of LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂in Quasi-Solid-State Lithium Batteries”为题正在J. Am. Chem. Soc.上宣告尾要功能。正在文中，做者重面钻研了SSLB运行时的正极界里，收罗其挨算、化教战机械功能的动态演化，其中所操做的正颇为LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂（NCM523）。操做本位电化教簿本力隐微镜（EC-AFM），正在纳米尺度上实时监测了NCM523粒子正在充放电历程中正极界里的演化。经由历程Derjaguin−Muller−Toporov（DMT）模量的本位扫描，可能同时不雅审核力教功能的修正。正在充电历程中，富露LiF的物种起尾正在4.08 V下组成，而后有机物种组成（如ROLi战ROCO₂Li）。正在随后的放电历程中，Li₂CO₃战LiF等组分正在3.4 V下群散正在电极概况，同时概况DMT模量随化教产物的修正而修正，充电时先删小大后减小，放电时略有删减。进一步操做飞翔时候两次离子量谱（ToF-SIMS）战电化教阻抗谱（EIS）验证了循环历程中正极界里层的重大多层特色战概况挨算重构。下场批注，过渡金属的迁移战新相的组成会进一步减轻SSLBs的降解。晃动的正极界里临后退电化教功能至关尾要。因此，该钻研直接掀收了正极界里层的组成战正极概况化教战机械晃动性的演化，为后退SSLBs的功能提供了直接指面。

图文导读

1、正极界里层动态组成的本位AFM钻研

图1 SSLB正极界里层动态组成历程的本位定量钻研

为了实时监测正极质料的概况演化历程，正在SSLB中对于NCM523粒子妨碍了本位AFM不雅审核。图1a隐现了NCM523电极正在开路电位（OCP）约为2.85 V时的AFM形貌图。电极概况的仄均DMT模量约为0.5 GPa（图1a′）。当电位从OCP扫至4.08 V时，NCM523粒子概况出有赫然修正。当电池正在4.08 V下延绝1.2 h时，一些丝状产物起尾呈目下现古NCM523颗粒的部份地域（如图1b中的黄色箭头所示），随后一些絮状产物群散正在其上（如图1c中绿色箭头所示）。值患上看重的是，该地域中DMT模量的仄均值（标志红色框）起尾删减到约3.0 GPa（图1b′），而后随着那些产物的群散降降到约0.5 GPa（图1c′）。随着充电的妨碍，小大量絮状物积淀（图1d），并逐渐演酿成拆穿困绕概况的纳米挨算絮状物膜（图1e）。同时，部份地域（图1d′）的低DMT模量（约0.3 GPa）扩大到部份电极（图1e′）。当电池充电至4.2 V时，AFM图战DMT模量图均已经隐现出赫然的修正（如图1f，f′所示）。正在放电历程中，当电位背移到3.4 V时，现场组成的薄膜变患上减倍滑腻战致稀（图1g），电极概况的仄均DMT模量删减到0.4 GPa（图1g′）。此外，经由历程绘制AFM图像圆位阐收患上到的薄膜薄度的统计扩散图，进一步精确天丈量了该薄膜的薄度，如图1h所示。图1g中的薄膜薄度约为11.18 ± 4.48 nm。图1i隐现了正在充放电历程中，现场组成的薄膜正在图1a′中红色框所示的特定位置处的DMT模数的演化。正在充电历程中，该地域的仄均DMT模量从0.5 GPa（OCP）删减到3.0 GPa（4.08 V），而后逐渐降降到0.1 GPa（4.2 V）。随后，正在放电时实时记实到DMT模量的细小删减（0.4 GPa，3.4 V）。正在此底子上，将不雅审核到的薄膜视为NCM523粒子的正极界里层。操做本位簿本力隐微镜（AFM）对于其睁开历程妨碍了实时监控，为SSLBs的进一步去世少提供了更多的证据战细节。

2、正极界里层化教成份的演化

图2 正极界里层化教成份的演化

为了申明正极界里层化教成份的演化，操做XPS对于正极界里层正在不开电位阶段的化教成份妨碍了阐收。本初NCM523的O 1s光谱以晶格氧旗帜旗号为主，其强度可做为正极界里层薄度的目的。此外，由于层状氧化物正极与水份战CO₂的反映反映，正在本初NCM523上可能收现Li₂CO₃。NCM523电极充电至4.08 V下延绝1 h、2.5 h、放电至3.4 V下延绝1 h的F 1s战O 1s光谱如图2所示。当正在4.08 V下充电1h时，F 1s光谱正在685.5 eV处隐现一个分中的峰，那与LiF的组成有闭（图2a）。此外，正在O 1s光谱中，去自晶格氧的强峰正在529.7 eV处强度降降（图2b）。进一步充电后，图2d中晶格氧峰的赫然降降批注正极界里层变薄。对于应于C-O战O-H的两个峰删减（图2d），批注有机物量如ROLi战ROCO₂Li的堆散。LiF战Li₂CO₃的峰强度赫然降降（图2c，d），进一步掀收了有机物量压倒了它们的旗帜旗号。正在AFM成像中，扫描地域的单个刚度可能辩黑不开的相位，那可能代表具备无开DMT模量值的不开成份。散漫本位AFM不雅审核战XPS的化教演化，可能患上出论断，现场组成的正极界里层由底部有机层（DMT模量下，正在充电早期组成富LiF）战顶部有机层（DMT模量低，充电后堆散了歉厚的有机物）组成。如图2e，f所示，当电池正在3.4 V放电1 h时，晶格氧的特色残缺消逝踪，而代表Li₂CO₃战LiF的峰慢剧删减。

进一步对于XPS下场妨碍了定量阐收，以批注正极界里层正在不开阶段的化教成份演化。图2g−i隐现了NCM523电极上的概况物种及其正在4.08 V充电1 h，4.08 V充电2.5 h，3.4 V放电1 h的相对于数目。当电池充电至4.08 V延绝1 h时，有机-有机正极界里层主导NCM523粒子概况，其中有机物种LiF是尾要成份（图2g）。当电池正在4.08 V下充电2.5 h，露有C−O战C−H键的有机化开物慢剧删减，批注有机物（如ROLi战ROCO₂Li）是正极界里层概况的尾要成份（图2h）。随后，当电池正在3.4 V下放电1 h时，有机物特意是Li₂CO₃的比例赫然删减（图2i）。可是，当电池放电到3.4 V下1 h后，Ni 2p谱上隐现了一个愈减犀利的峰，批注电极概况存正在富Ni相。此外，正在锂背极上患上到的Ni 2p光谱隐现出赫然的峰值，而Co 2p战Mn 2p则出有，那进一步批注，正在固态系统中，Ni离子更随意迁移到正极界里层战固态电解量中。据报道，由于Ni 2p的键比Co 3p战Mn 4p强，Ni正在充电早期很随意修正其正在晶格中的位置。此外，一些钻研批注，正在初次充电早期，Li−Ni异化会导致部份相变战可用锂位的益掉踪。因此，过渡金属的迁移战新相的组成减速了过渡金属离子正在电解量中的消融。

3、多层正极界里层的表征

图3 多层正极界里层的表征

通太下分讲透射电镜（HRTEM）战ToF-SIMS钻研了NCM523电极正在不开电位阶段的相变战概况降解机理。图3a隐现了一个循环后NCM523电极概况地域的HRTEM图像。正在NCM523电极概况不雅审核到一层仄均薄度约为8.19 nm的非晶层。非晶层可回属于与先前本位AFM阐收相闭的正极界里层。为了深入体味NCM523粒子的概况机制，操做下分讲透射电镜（HRTEM）对于NCM523颗粒正在晶界（图3a中红色框所示地域不同）的晶体挨算妨碍了表征，如图3b所示。凭证吸应的FFT模式未必，本初层状R̅3m挨算（菱里体相）、尖晶石相Fd̅3m战岩盐Fm̅3m共存（图3c）。尖晶石相可回果于锂簿本散漫到锂层的四里体位置，过渡金属簿本迁移到锂层的四里体位置。正在外部地域检测到岩盐相，薄度为2-3nm，其中过渡金属离子正不才度脱锂形态下背临远的空地锂迁移时，可经由历程析氧产去世从R3m到Fm3m的修正。经由历程ToF-SIMS魔难魔难（图3d，e）检测到NCM523粒子概况循环后NiO露量较下，批注NiO岩盐相的组成，与HRTEM下场不同。循环后NCM523颗粒概况正极界里层的相变战非仄均性导致了颗粒开裂。正在NCM523复开电极上会集的ToF-SIMS图（图3d）批注，NCM523颗粒概况隐现了收罗有机物（以LiF₂-展现）战有机物（以OH-战C₂HO-展现）的相间产物。如图3e所示，正在循环后与样的ToF-SIMS的回一化深度剖里隐现了NCM523概况地域正极界里相的重大多层特色。随着溅射时候的耽搁，如红色箭头所示的ROLi战ROCO₂Li等有机物量（由OH-、CH₂-战C₂HO-展现）的强度从下到低修正，批注有机物量尾要呈目下现古中层。可是，由过渡金属氟化物、氧化物战碳酸盐组成的有机成份的强度从低到下（如蓝色箭头所示），批注内层相对于较下的浓度（LiF依然很歉厚）。那些下场与本位AFM战XPS下场不同，掀收了正极界里层由底层有机层战顶层有机层组成的多层挨算特色。

综上所述，做者操做本位EC-AFM、XPS、HRTEM战ToF-SIMS直接掀收了SSLB中NCM523正极正在充放电循环历程中正极界里层的挨算战化教成份的动态演化。该钻研为NCM523正极概况有机-有机杂化挨算正极界里相的动态演化提供了直接证据，增长了对于概况机制的根基科教清晰，收罗挨算、化教战机械晃动性，为具备劣秀功能的SSLBs的设念提供指面。

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