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时间:2019-05-02 18:42 来源:[db:链接]

来源丨材料匠

导读

有时,人们为了为了满足不同市场的需求,利用性能互补的两种(或者以上)正极材料进行物理混合后使用,在强化单一组分材料优点的同时弥补其缺点。

目前主流使用的正极材料主要有三元材料、尖晶石锰酸锂、磷酸铁锂等材料。这几种材料都具有各自明显的优缺点(如表1)。

表1、不同体系的锂离子电池特性

有时,人们为了为了满足不同市场的需求,利用性能互补的两种(或者以上)正极材料进行物理混合后使用,在强化单一组分材料优点的同时弥补其缺点。因为是物理机械混合,工艺简单使得混合正极材料成本较低。例如,将价格低廉、倍率性能和安全性能优异的尖晶石锰酸锂和价格较高但倍率性能和安全性能略差的三元材料混合,可以制备出价格适中、倍率性能不错的电池。

尖晶石锰酸锂和三元材料的混合

三元材料中混入尖晶石锰酸锂,不仅可以降低材料成本,还能提高正极材料的倍率性能和改善安全性能。两种材料混合制备的正极极片如图1所示。

图1、尖晶石锰酸锂和三元材料混合使用电镜图

J.R.Dahn小组研究了尖晶石锰酸锂和NCM111混合使用的情况,LiMn2O4和NCM111的混合比例(质量百分比)分别为:100%:0;75%:25%;50%:50%;25%:75%;0:100%。混合材料在不同温度下的循环性能如图2(a)所示。

图2、混合材料在不同温度下的(a)循环性能和(b)容量衰减情况

从图2(a)中可以看出,在高温下LiMn2O4的衰减很快。为了区分出各种材料的衰减情况,将上图中的容量归一化处理,结果如图2(b)所示,从图中可以看出,混合正极材料中LiMn2O4的含量越高,电池衰减越快。随着温度的升高,电池的衰减速度也越快。但是混合正极的衰减速率并不是LiMn2O4和NCM111两种材料单独衰减速率的简单加和,图2(b)还用100%的LiMn2O4电池的衰减速度和100%NCM111电池的衰减速度计算出LiMn2O4:NCM111为50%:50%的混合正极的衰减速度,发现实际测试结果比计算出的结果要好。J.R.Dahn小组研究后发现,这种现象产生原因是三元材料的加入,抑制了LiMn2O4中Mn的溶解,而Mn溶解是LiMn2O4容量衰减和库仑效率降低的主要原因,降低Mn离子的溶解可以阻止材料因颗粒表面Li富集而造成的容量衰减。

Albertus等将NCA和LiMn2O4按质量比1:1混合,对比了混合材料与单个材料在不同倍率下电压平台,如图3所示,混合正极材料在高倍率(如5C)拥有比NCA更高的电压平台,倍率性能更优。


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