厦大/重大/宁德时代AEM：解耦软包电池中富锂层状氧化物正极的高温失效机理

顶刊收割机 · 公众号 · · 2024-11-26 08:18

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在应对全球气候危机的过程中，锂离子电池（LIBs）在极端条件下的能量存储性能，特别是高能量密度的富锂层状氧化物（LRLO）正极，至关重要。尽管已有大量研究探讨了理想温和环境下LRLO正极的机制和优化，但关于它们在实际/恶劣工作环境下的案例研究却寥寥无几，这对于安全性和商业应用至关重要。

在此， 厦门大学乔羽、宁德时代沈重亨、重庆大学张斌伟、青海民族大学秦亚茹等人 采用拓扑分析与渗流理论，并结合第一性原理计算和蒙特卡洛模拟方法，揭示了不同成分下LRLO正极材料存在的拓扑结构对氧流失通道的阻断机制。

结果表明，在过渡金属层中，若过渡金属离子的含量超过5/6，那么在锂离子脱嵌后，可在局域环境内移动的晶格氧便无法通过一个连通的渗流网络迁移至材料表面，导致其最终被束缚在材料内部。

图1. LRLO软包全电池的放电曲线和相应的dQ/dV曲线

总之，该工作通过与典型的非阴离子氧化还原反应（ARR）NCM基全电池的电化学行为进行比较，匹配有激活阴离子氧化还原反应（ARR）的LRLO正极的软包全电池在实际高温储存后表现出容量损失和更严重的电压衰减。

研究表明，晶格氧化氧的过度活化和随后由逃逸的氧化氧成分（O ⁿ⁻ ）引发的连锁过程对电极的界面和体积结构造成了严重影响。在高温储存期间，活性氧成分的稳定性进一步退化，其中氧化的晶格氧逐渐演变为O ²⁻ 和O ₂ ，这不仅加速了LRLO表面电解液的分解，而且还破坏了TM-O共价键，导致结构不稳定。因此，该工作为开发具有更高循环稳定性的高能量密度锂电池正极材料提供了理论指导。

图2. LRLO软包全电池在高温下产气分析

Decoupling the Failure Mechanism of Li‐Rich Layered Oxide Cathode During High‐Temperature Storage in Pouch‐Type Full‐Cell: A Practical Concern on Anionic Redox Reaction, Advanced Energy Materials 2024 DOI: 10.1002/aenm.202404391