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LiAlF4固体薄膜 稳定电池循环

2017-07-18 12:03
铁马老言
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科技的发展对电池的能量密度提出了较高的要求。锂离子电池在较宽电化学窗口下工作是一个提高能量密度的有效方法。减小截止电压的限制,虽然电池可以提供更高的能量密度、比容量和电压输出,但是这会对电池的热力学和动力学稳定性带来挑战。对于层状锂过渡金属氧化物尤其如此,当施加更宽的电化学窗口时,电池容量得到改善,但是稳定性受到影响。近日,崔屹研究团队通过原子层沉积法研发一种LiAlF4固体薄膜,这种薄膜具有离子传导性和热力学、动力学稳定性,以及极好的电化学稳定性,克服了上述问题。

图1. (a-c)具有不同ALD循环数的LiF,AlF3和LiAlF4膜的厚度表征。(d-f)在硅晶片上原子沉积 LiF,AlF3和LiAlF4膜的俯视SEM图像。嵌入图像是硅晶片上LiF,AlF3和LiAlF4膜的侧视图。

作者将LiAlF4薄膜直接沉积在极片上,而不是在每个颗粒表面。满足了在宽电化学窗口下工作的要求。作者研究了在2.75-4.50V下,高Ni含量LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(NMC-811)上沉积的涂层效果。在室温下,具有LiAlF4涂层的NMC-811电极在300次循环后维持高于140mAh/g的容量(超过300次循环衰减24%,每循环0.08%)。对于原始的NMC-811,113次循环后容量下降到低于140mAh/g(在113个循环中衰减29%,每个循环为0.26%)。由于高温下的循环稳定性差是高Ni含量层状锂金属氧化物最为显着的缺点。因此,作者对样品进行了高温环境(50℃)的电化学测试。由于在50℃下涂层和NMC-811本身的锂离子传导性都会提高,所以以20c的倍率测试。原始NMC-811电极的容量在100个循环内快速衰减低于100 mAh/g。相比之下,具有ALD LiAlF4涂层的NMC-811电极在100个循环内显示出优异的容量保持率。

图2. (a)室温下原始和 LiAlF4膜沉积的NMC-811电极的循环性能,电化学窗口为2.75-4.50V。(b,c)第1、10、25和50周期后,原始和LiAlF4膜沉积的NMC-811电极的EIS表征。(d)第二和第50个循环的原始和LiAlF4膜沉积的NMC-811电极的电压与容量图。(e)在50℃下,使用2.75-4.50V的电化学窗口,原始和LiAlF4膜沉积的NMC-811电极的循环性能。

作者使用原子层沉积法在锂离子电池正极上了一层LiAlF4界面层,通过计算表明,基于氟化物的界面层在宽电化学窗口内是热力学稳定的。稳定的锂离子传导界面层提高了高Ni含量NMC-811电极的稳定性,而且没有降低离子传到速度。

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