贵州大学/宁波工程/东方理工AFM：全固态锂电池中富镍层状正极的研究进展与挑战

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-12-21 07:50

正文

全固态锂电池具有便捷，高比能量和高安全性等优点，被广泛认为是下一代储能设备。富镍层状氧化物具有高平均电压和高理论比容量等特点，目前已经在商业化液态锂电池中得到了广泛的应用。鉴于此，宁波工程学院微纳材料与器件创新研究院余睿智副研究员，贵州大学材料与冶金学院副院长陈朝轶教授，宁波东方理工大学王长虹助理教授三方合作在《Adv. Funct. Mater.》上发表了重要综述，对近年来使用富镍层状氧化物作为正极材料的全固态锂电池研究进展进行了全面综述。首先，根据原材料价格和已有文献中所报道的正极材料的比容量计算了使用富镍层状氧化物作为正极材料的全固态软包电池材料成本（USD KWh⁻¹）和能量密度（Wh L⁻¹/ Wh kg⁻¹）。其次，详细的介绍了电池电化学性能衰减的主要原因。在正极材料内部表面结构退化、本体结构和机械疲劳以及热不稳定性被确定是性能衰减的主要因素。在正极材料与电解质界面处，化学/电化学副反应、空间电荷层（SCL）效应和物理接触损失阻碍了电荷传输，导致严重的性能退化。此外，作者还综述了外部条件如压力和温度等对全固态锂电池性能的影响及其作用机制。并总结了使用富镍层状氧化物作为正极材料的全固态锂电池合理的改进策略，以提高全固态锂电池的电化学性能和循环寿命。最后讨论了推进全固态锂电池进一步发展的未来研究方向和前景。

图1 全文组织结构图

1.全固态锂电池中富镍层状氧化物正极的商业化潜力

全固态锂电池具有高比能量和高安全性的特点，但其商业化潜力仍然是不确定的。鉴于此，作者采用商业标准来数值分析固态电极参数如正极材料类型、固态电解质厚度、放电比容量和电压、正极比（N/P比）和电极密度对全固态软包电池能量密度和成本的影响，评估了富镍层状氧化物正极在全固态锂电池中的商业化潜力和应用前景。

图2 全固态软包电池的能量密度与成本计算

2. 富镍层状氧化物的本征问题

富镍层状氧化物是目前有前景的正极材料之一，高的平均电压和理论比容量使得它备受关注。但是富镍层状氧化物的一系列本征问题，例如表面残锂、结构转变（层状向岩盐相转变）、Li/Ni混排、H2/H3相变，微裂纹和热不稳定性等，会导致锂电池严重的性能衰减。在这篇综述中，作者总结了近年来对于富镍层状氧化物本征问题及其对应的降解机制的代表性研究。介绍了表面残锂、结构转变（层状向岩盐相转变）、Li/Ni混排、H2/H3相变，微裂纹和热不稳定性等本征问题的主要原因，内在机理及其后续对电池性能的影响。

图3 表面残锂

图4 结构转变

图5 Li/Ni混排

图6 H₂/H₃相变和微裂纹

图7 热不稳定性

3. 富镍层状氧化物正极材料与固态电解质界面问题

对于全固态锂电池，富镍层状氧化物正极材料与固态电解质界面处存在界面副反应，空间电荷层和界面接触差等问题。作者总结了近年来全固态锂电池界面问题的一些代表性研究，全面的综述了界面副反应、空间电荷层和界面接触差等界面问题的主要原因、内在机理和对后续全固态锂电池性能的影响。

图8 正极材料与电解质界面问题

此外，作者还综述了外部因素如压力和温度对全固态锂电池的影响，这些外部因素在全固态锂电池的界面稳定性方面起着不可忽视的作用。

图9 外部压力的影响

图10 环境温度的影响

4.构建高性能全固态锂电池的策略

对于高性能全固态锂电池，设计高容量，高稳定性的正极材料和构建良好的正极材料与固体电解质界面是至关重要的。正如前面所提到的，富镍层状氧化物正极材料具有本征问题，富镍层状氧化物正极材料与电解质界面处具有界面问题。因此，需要通过正极材料调控和界面工程来构建高性能全固态锂电池。鉴于此，作者总结了近些年构建高性能全固态锂电池的代表性研究。全面的综述了形貌调控、掺杂、包覆、固态电极设计等全固态锂电池中富镍层状氧化物正极材料调控策略和界面工程。这些策略有效的助益高性能全固态锂电池的构建。

图11 构建高性能全固态锂电池的改性策略

这综述对使用富镍层状氧化物作为正极的全固态锂电池的商业化潜力、存在的问题、应用障碍和改进途径等方面进行了全面综述，对实验室和工业上开发ASSLB富镍层阴极具有重要意义。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202418274

来源：高分子科学前沿

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