锂离子电池三元正极材料研究

锂离子电池三元正极材料研究

江婵

广东环境保护工程职业学院  广东佛山  528216，

【摘要】随着近年来国家整体经济以及科技技术水平的不断提高，新能源汽车行业不断发展壮大，其对锂离子电池的需求量也越来越大。从目前Li+电池在新能源汽车中的应用情况看，可以发现对新能源汽车发展造成主要制约的就是续航里程，因此相关人员不断加大对于锂离子电池的研究力度。实践中，想要解决电池的续航焦虑，就需要对锂离子电池的能量密度进行提升，而相较其他材料而言，高镍三元层状材料的比容量更高，而且安全性较其他材料也有所提升，能够在保证应用效率的基础之上降低前期的投入成本。虽然其具备诸多优势，但是在实际应用过程中仍然存在问题，本文将结合实际情况对于锂离子电池三元正极材料的相关问题进行简要分析，以供参考。

【关键词】锂离子电池；正极材料；层状结构；改性策略

引言

相对比起其他类型的电池来说，锂离子电池具备诸多的独特优势，因此现阶段其在我国的应用范围相对较广，比如说其工作电压稳定、能量密度高以及重量轻等等，而且其对环境也相对来说较为友好，并不属于高污染的材料，与现阶段我国低碳绿色的发展理念相符，因此目前其被成功应用于便携式电子消费产品以及新能源汽车和存储系统等等。从目前我国市场整体发展形势以及发展需求来看，可以发现锂离子电池在各行业以及各领域中都起到至关重要的作用，而正极材料能够在很大程度上直接影响锂离子电池的整体应用效率，因此相关人员需要加强对于这一问题的重视程度。本文就是在此背景下对锂离子电池的三元正极材料进行简要分析，以期通过相应建议提高锂离子电池三元正极材料的应用效率并提高锂离子电池的整体质量，充分发挥出其在社会发展中的重要作用。                                                   

1.三元层状正极材料存在的问题

1.1 阳离子混排

阳离子混排是目前三元层状正极材料存在的主要问题之一，导致阳离子兼顾要排现象出现的因素相对较多且较为复杂，想要避免其对三元层状正极材料的整体应用造成负面影响，就需要明确引起问题的具体原因，然后在此基础之上结合实际情况采取相应的针对性措施从源头上解决问题。所谓阳离子混排，其实主要就是指本应位于层状结构中3b位置的Li+和本应位于层状结构中3a位置的过渡金属离子发生了部分占位现象。在Li+层中，Li+的迁移路径会由于Ni2+的进入而受到阻碍，而且紧密堆积的金属氧化物之间的静电排斥力会被锂层中的强Ni—O键削弱，那么在脱嵌过程中Li+的移动空间就会被限制。Ni2+和Li+的混排能够在一定程度上将材料的结构稳定性进行提高。经过相关人员计算，发现Li+扩散的激活势力会在高镍层状氧化物中存在少量Li+或者Ni2+反位缺陷时有所降低，这会在很大程度上对层状结构的整体稳定性造成负面影响。

1.2结构退化与微裂纹

结构退化与微裂纹是除了阳离子混排之外目前三元层状正极材料比较常见的问题，而且其对于材料的整体应用效果会造成较为严重的负面影响，因为在结构退化时会释放氧气，如果此时材料存放的环境中有能够与氧气发生反应的元素，那么可能就会导致爆炸、冒烟或者着火等问题，这些问题所带来的安全问题较为严重。过渡金属离子和氧离子层之间的引力和斥力会由于Li+连续化的脱出与嵌入而发生变化，此时晶胞参数也会受到相应影响，在C轴方向上晶隔会由于正极材料中镍含量的增加而出现较为明显的变化。

1.2表面副反应

通常情况下，空气中的成分以及电解液在电化学循环过程或者是在合成三元正极材料时可能会发生接触，一旦发生这种情况，那么必然会引发相应的副反应，这样的副反应在反应过程当中会产生不同类型的副产物，在不同的情况下产生的副产物的类型并不相同，但是通常情况下这些产物都会对电池的整体安全性能以及其循环稳定性造成一定程度的负面影响。

2.高镍三元层状正极材料改性策略

2.1表面涂层

表面涂层也是目前我国比较常见的方式之一，其保护电极材料的主要方式就是在电极材料的表面形成一层保护层，其能够有效避免气体析出或者正极材料与电解质直接接触等情况，同时还能够提高表面结构的整体稳定性，并促进Li+的扩散和电子的转移。正极材料表面涂层的改性机理可分为防止过渡金属离子的溶解和氧的释放、将正极结构的整体稳定性提高以及降低正极/电解质的界面电阻三种类型。

2.2 元素掺杂

除了表面涂层之外，元素掺杂也是对高镍三元层中正极材料进行改性的重要方式之一，尽量通过减少富镍三元正极材料中的锂或者镍的无序程度的方式对结构整体稳定性进行提高。根据不同的元素种类可以将元素掺杂分为阴离子掺杂和阳离子掺杂两种类型。其中阴离子掺杂的优势在于能够将正极活性材料在HF中的溶解进行抑制并且实现对阴离子与金属的键能的增强，同时在此基础之上避免锂或过渡金属离子位置的无序占据。 阳离子掺杂主要是通过引入Ti4+、Zr

4+以及Ta5+等离子的方式将镍、锰或者钴的位置代替，从而实现对相变过程中体积变化程度的控制。

3.3 单晶结构

多数高镍三元层状材料的存在形式是多晶次级粒子，而初级粒子又是组成这些多晶次级粒子的元素，从研究以及相应实践中可以发现导致晶间裂纹的主要原因就是在电化学循环过程中各向异性的膨胀或收缩，而在有晶界的二次粒子分级结构会在原有基础之上进一步加大微裂纹的严重性，这是电解质界面和电极之间的负反应速度会加快。颗粒产生微裂纹破裂是高镍三元多晶正极材料最常见的失效机制之一，因为活性材料在这时会被孤立于电解质的表面并发生副反应，从而导致出现容量损失。为避免各向异性应力引起的晶间裂纹，可以采用单晶颗粒，因为其具有其他材料所不具备的独特优点，能够将电解质和电极的副反应减轻并在此基础之上避免材料从层状到岩盐向的不可逆相变。

3.4 浓度梯度结构设计

相关人员基于核壳结构发现了浓度梯度结构设计，其能够将高镍三元层状材料结构稳定性进行提高，在实际设计过程当中主要包含的内容有壳层浓度梯度、核壳结构、双倾斜浓度梯度以及全浓度梯度设计。其主要的改善原理是通过高镍含量的三元层状氧化物和镍含量较低的稳定层状氧化物共同提供结构稳定性和高容量。

4.结语

综上所述可以得知，从目前我国社会整体发展情况来看，可以发现时代对新能源汽车以及锂离子电池的需求量越来越大，对于锂离子电池的整体质量以及其结构稳定性的要求也越来越高，在这样的背景下，相关人员需要加强对于这一问题的重视程度，充分发挥出三元层状正极材料的重要作用。本文结合实际情况对三元层状正极材料现阶段面临的主要问题以及现状进行了简要分析，同时在此基础之上提出了相应的改进措施，以期提高三元层状正极材料的整体质量，充分发挥出其在我国各行业发展中的重要作用。

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江婵   1985年9月，女 ，湖北黄梅，广东环境保护工程职业学院，广东佛山，528216，汉，副教授，博士，锂离子电池材料方向

项目编号：GSPZYQ2020004, 项目名称： 商检技术专业重点专业建设，项目类别：校级质量工程

项目编号：J410420022202, 项目名称：环境监测技术高水平专业群，项目类别：广东省高水平专业群

项目编号2019GKTSCX062，项目名称：硫酸盐@碳胶囊/石墨烯材料三维结构设计、构建及储锂性能和机理研究

项目类别：广东高校省级重点平台及科研平台特色创新项目