Angew. Chem. :提高钴酸锂表面电子导电性

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锂离子电池中的正极材料作为 Li扩散和电子传输的主体,很大程度上决定了电池的性能。正极的离子扩散特性一直是研究的热点,但关于电子传输特性的研究较少。相同的正极截止电压设置相同,但相同电压范围下的比容量却有明显差异,这很可能受电子传输方面的影响。通常,锂离子在单个颗粒内的脱出/嵌入是由外加有效电势 (Veff) 驱动的,其中Veff由施加在每个颗粒上的电势 (Vo) 和由于表面电阻引起的电势降 (IR) 决定(右)。 如果R值增加,Veff会降低,可用的锂离子会减少。换句话说,倍率性能应该受表面电导率的很大影响。因此,我们可以通过增加表面电导率来提高正极的倍率性能。



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北京大学潘锋教授和香港中文大学(深圳)张明建教授团队提出了一种独特的策略,通过提高表面电导率来提高正极的倍率性能,它增加了施加在单个颗粒主体上的有效电压 (Veff),从而在相同的外部电压下驱动更多的 Li+ 脱出/插入。研究结果为调节表面电子传输特性开发高倍率正极材料提供了新的视角。

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作者用一个图解描述了改进后的电化学机理。正极改进的无序岩盐相表面具有三个特征:①骨架稳定。②良好的Li+渗流网络。③高导电性。稳定的结构保护内部层状晶格,确保长时间循环。表面产生丰富的空位和快速的电子传输,从而提高有效 施加在内部层状晶格上的电压,导致更深的相变,从而在相同的外部电压范围下提取/插入更多的锂离子,即提高倍率性能。

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此外,使用有限元模型模拟了电化学过程。该模型由三部分组成,直径为10微米的球形 LiCoO2 颗粒、覆盖半个球体的薄导电层和具有边界条件的电解质。如实验结果所证明的那样,具有较高表面电导率的 LCO具有更长的放电时间,对应于更大的比容量。具有较高表面电导率的粒子也表现出更均匀的表面电势分布和放电末期更高的电势,使得粒子内部的Li+扩散更快。此外,不同放电时间的Li+ 浓度分布进一步证实,高表面电导率有利于Li+的快速嵌入。


总之,作者提出了一种独特的策略,通过提高表面电导率来提高正极的倍率性能。首次通过有效电压Veff的新概念将正极中Li+脱嵌/嵌入的特性与表面电子传输特性相关联。这些发现加深了对正极材料中电子/Li+传输特性的理解,并为开发快速充电/放电正极开辟了新方向。充电/放电过程中表面和体积电导率的演变及其对电化学性能的影响值得进一步研究。

文信息

Promoting Surface Electric Conductivity for High-Rate LiCoO2

Shenyang Xu, Xinghua Tan, Wangyang Ding, Wenju Ren, Qi Zhao, Weiyuan Huang, Jiajie Liu, Rui Qi, Yongxin Zhang, Jiachao Yang, Changjian Zuo, Haocheng Ji, Hengyu Ren, Bo Cao, Haoyu Xue, Zhihai Gao, Haocong Yi, Wenguang Zhao, Yinguo Xiao, Qinghe Zhao, Mingjian Zhang, Feng Pan


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202218595




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