Оксид алюминия — «спаситель» материалов катодных аккумуляторов
Базовая структура литий-ионных аккумуляторов включает положительный электрод, отрицательный электрод, электролит, сепаратор и корпус аккумулятора. Материал положительного электрода является основным материалом литий-ионных аккумуляторов, определяя плотность энергии, напряжение, срок службы и безопасность аккумулятора.
В настоящее время, хотя оксид лития-кобальта (LiCoO2), оксид лития-марганца (LiMn2O4), фосфат лития-железа (LiFePO4) и тройные материалы (Li-Ni-Co-Mn-O) являются четырьмя коммерчески доступными материалами для положительных электродов литий-ионных аккумуляторов, они имеют определенные недостатки в плане безопасности, циклических характеристик, сохранения емкости и других аспектов. Для повышения стабильности материалов положительных электродов исследователи используют различные методы модификации, такие как легирование, нанесение поверхностного покрытия и два общих метода.
Как оксид алюминия улучшает характеристики положительного электрода?
Покрытие из оксида алюминия на материалах положительных электродов может эффективно улучшить циклическую стабильность, срок службы и термическую стабильность материалов положительных электродов. Основные эффекты Al2O3 на материалы положительного электрода:
(1) Поглотитель фтороводорода (HF)
LiPF6 — широко используемый электролит в электролитах. Под высоким напряжением гексафторфосфат лития (LiPF6) реагирует со следовыми количествами воды с образованием HF.
(2) Физический защитный барьер
Нанесение слоя Al2O3 на поверхность материала положительного электрода позволяет изолировать материал положительного электрода от электролита и предотвратить возникновение вредных побочных реакций между материалом положительного электрода и электролитом.
(3) Повышение термической стабильности материалов положительного электрода
Термическая стабильность — один из ключевых факторов при оценке производительности литий-ионных аккумуляторов. В процессе заряда и разряда литиевых аккумуляторов высвобождение решеточного кислорода в материале положительного электрода приводит к окислению электролита, что снижает его термическую стабильность.
(4) Повышение скорости диффузии ионов лития
Хотя оксид алюминия не является хорошим проводником электронов и ионов, он может реагировать с остаточным литием на поверхности материала положительного электрода во время заряда и разряда, образуя LiAlO2, который является хорошим проводником и может увеличить скорость диффузии ионов лития. Это обусловлено главным образом тем, что LiAlO2 снижает энергетический барьер диффузии ионов лития.
(5) Реакция с LiPF6 с образованием электролитной добавки LiPO2F2
Оксид алюминия, нанесенный на поверхность материала положительного электрода, может реагировать с литиевой солью (LiPF6) в электролите с образованием дифторфосфата лития (LiPO2F2), который является стабильной электролитной добавкой, способной значительно улучшить циклируемость, безопасность и скоростные характеристики материала положительного электрода.
(6) Подавление эффекта Яна-Теллера
Эффект Яна-Теллера является основной причиной растворения ионов марганца в материале положительного электрода, что может привести к разрушению структуры материала положительного электрода и затруднить диффузию ионов лития, тем самым снижая электрохимические характеристики материала положительного электрода.
Пять основных технологий нанесения покрытий
Метод пропитки: добавьте материал положительного электрода в раствор или золь, содержащий прекурсор алюминия, для образования однородной суспензии, затем высушите и прокалите для получения материала положительного электрода с покрытием из оксида алюминия.
Метод осаждения: смешайте материал положительного электрода с раствором, например, нитратом алюминия или хлоридом алюминия, равномерно распределите, отрегулируйте значение pH смешанного раствора для формирования слоя покрытия на поверхности материала положительного электрода и, наконец, получите материал положительного электрода с покрытием из оксида алюминия путем фильтрации, промывки, сушки и термической обработки.
Процесс сухого нанесения покрытия: оксид алюминия и материалы положительного электрода могут быть непосредственно смешаны для формирования шероховатого слоя покрытия на поверхности материала положительного электрода. Хотя равномерное покрытие на поверхности материала положительного электрода невозможно, это положительно влияет на улучшение электрохимических характеристик материала положительного электрода.
Метод распыления: Метод распыления использует ионы Ar+ для бомбардировки материала мишени (Al), в результате чего атомы Al распыляются и осаждаются на поверхности материала положительного электрода.
Технология атомно-слоевого осаждения (ALD): Используя триметилалюминий и другие материалы в качестве источника алюминия, оксид алюминия наносится на поверхность материала положительного электрода. Толщину покрытия можно точно контролировать, а увеличение толщины достигается за счет увеличения количества циклов ALD.