提高正极活性物质与固体电解质之间的界面稳定性是发展高性能固态电池的关键。该领域的挑战之一是在正极活性材料颗粒上制备高质量、经济和大规模的保护涂层。德国卡尔斯鲁厄理工学院的学者提出了一种新的基于预制纳米颗粒的湿法涂层方法。采用溶剂热法合成了无团聚的纳米粒子(≤5 nm)包覆材料，经表面功能化后应用于层状富镍氧化物正极材料LiNi0.85Co0.10Mn0.05O2表面，形成结构独特的均匀表面包覆层。当银矿Li6PS5Cl作为固体电解质时，经过纳米包覆处理的NCM85正极材料在固体电池中具有优异的储锂性能和良好的倍率性能。均匀的纳米颗粒涂层抑制了充放电过程中的界面副反应和气体逸出。此外，该方法已被证明在基于液体电解质的锂离子电池中具有类似的效果，并可用于纳米粒子涂层的其他应用。相关成果以“固态电池中稳定层状富镍氧化物阴极的先进纳米陶瓷涂层”的名义发表在Advanced Functional Materials。原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202111829
固态电池被广泛认为是最有前途的下一代储能技术之一。与传统的基于液体电解质的锂离子电池相比，固态电池系统可以避免液体电解质带来的环境和安全问题。固态电解质具有机械刚性和较高的锂迁移数，两者都有利于抑制锂枝晶的形成，促进锂金属阳极的应用。与锂离子电池相比，在固态电池中很难保证正极活性物质与固体电解质的相容性及其界面的稳定性，形成具有适当离子/电子部分导电性的正极复合材料。基于硫代磷酸锂的固体电解质因其柔软的机械性能(低弹性模量)而受到广泛关注。即使通过冷压工艺，也能保证颗粒之间的紧密接触，这类固体电解质表现出与有机液体电解质相同数量级的锂离子电导率，从而达到更好的倍率性能。层状富镍NCM材料，如LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)和LiNi0.85Co0.10Mn0.05O2(NCM85)，由于其高比容量和高电压，在锂离子电池领域具有重要的研究意义。然而，硫代磷酸盐固体电解质的电化学稳定窗口相对较窄，在高电压下与NCM材料的相容性较差。在阴极材料表面涂覆保护层是避免与固体电解质直接接触以提高界面稳定性的有效方法。理想的涂层不仅要薄而均匀，还要具有优良的性能，如低电子电导率和高离子电导率。这种涂层将降低由分解反应引起的接触电阻，从而提高循环性能。目前，出于成本和加工方式的考虑，最常用的方法是湿化学法和干涂法。然而，通过这些方法制备的涂层的厚度和形态难以控制，导致厚度不均匀。提出了一种基于溶液中预制非聚集纳米粒子(NPs)的新型包覆方法，可有效改善固态电池层状富镍正极材料的循环性能和倍率性能。本文以纳米氧化锆修饰的NCM 85阴极为研究体系。首先，通过含有分散纳米粒子的稳定分散体系制备涂层材料，然后涂覆在NCM 85阴极表面。在NCM 85阴极表面成功构建了由ZrO 2-NP和碳酸锂组成的双层纳米涂层。所制备的涂层不仅阴极表面覆盖率高，而且形貌均匀，厚度理想。EIS、XPS和ToF-SIMS证实，由于副反应的抑制，正极复合材料的界面稳定性显著提高，并且气体逸出得到抑制。以表面涂层保护的NCM85正极材料和Li6PS5Cl为固体电解质的固态电池在45℃表现出优异的储锂性能和倍率性能。这项工作证明了一种基于溶液中预制纳米颗粒的新涂覆方法在改善固态电池中层状富镍阴极材料的循环和倍率性能方面的有效性。(文:李殊)
图1氧化锆-纳米复合材料的结构和表面特征
图2氧化锆-纳米复合材料的涂层结构
图3固态电池中NCM85、C-NCM85和ZrO2-NCM85在45℃下的循环性能
图4固态电池放电状态下ncm85、C-NCM85和ZrO2-NCM85的EIS曲线和形貌
图5 50次循环后正极/电解质界面分解特征
图6首次充电过程中固态电池中NCM85和ZrO2-NCM85的原位DEMS分析
图7 ZrO 2-ncm 85/Li和85/Li电池的电化学性能本文来自微信微信官方账号“材料科学与工程”。欢迎转载，请联系，未经允许拒绝转载至其他网站。
