Nhôm oxit, “vị cứu tinh” của vật liệu pin Cathode
Cấu trúc cơ bản của pin lithium-ion bao gồm điện cực dương, điện cực âm, chất điện phân, lớp ngăn cách và vỏ pin. Vật liệu điện cực dương là vật liệu cốt lõi trong pin lithium-ion, quyết định mật độ năng lượng, nền tảng điện áp, tuổi thọ chu kỳ và độ an toàn của pin.
Hiện nay, mặc dù lithium coban oxit (LiCoO2), lithium mangan oxit (LiMn2O4), lithium sắt phosphate (LiFePO4) và vật liệu ba thành phần (Li-Ni-Co-Mn-O) là bốn vật liệu điện cực dương được thương mại hóa cho pin lithium-ion, nhưng chúng có một số khiếm khuyết nhất định về độ an toàn, hiệu suất chu kỳ, khả năng duy trì dung lượng và các khía cạnh khác. Để cải thiện độ ổn định của vật liệu điện cực dương, các nhà nghiên cứu sử dụng các phương pháp biến tính khác nhau, chẳng hạn như pha tạp, phủ bề mặt và hai phương pháp phổ biến.
Alumina cải thiện hiệu suất điện cực dương như thế nào?
Lớp phủ alumina trên vật liệu điện cực dương có thể cải thiện hiệu quả độ ổn định chu kỳ, tuổi thọ chu kỳ và độ ổn định nhiệt của vật liệu điện cực dương. Tác động chính của Al2O3 lên vật liệu điện cực dương là:
(1) Chất khử hydro florua (HF)
LiPF6 là chất điện phân thường được sử dụng trong các chất điện phân. Dưới điện áp cao, lithium hexafluorophosphate (LiPF6) sẽ phản ứng với một lượng nhỏ nước để tạo ra HF.
(2) Hàng rào bảo vệ vật lý
Phủ một lớp Al2O3 lên bề mặt vật liệu điện cực dương có thể cô lập vật liệu điện cực dương khỏi chất điện phân và ức chế sự xuất hiện các phản ứng phụ có hại giữa vật liệu điện cực dương và chất điện phân.
(3) Cải thiện độ ổn định nhiệt của vật liệu điện cực dương
Độ ổn định nhiệt là một trong những yếu tố quan trọng để đánh giá hiệu suất của pin lithium-ion. Trong quá trình sạc và xả của pin lithium, việc giải phóng oxy mạng tinh thể trong vật liệu điện cực dương sẽ khiến chất điện phân bị oxy hóa, do đó làm giảm độ ổn định nhiệt của nó.
(4) Cải thiện tốc độ khuếch tán của ion lithium
Mặc dù nhôm oxit không phải là chất dẫn điện electron và ion tốt, nhưng nó có thể phản ứng với lithium còn sót lại trên bề mặt vật liệu điện cực dương trong quá trình sạc và xả để tạo ra LiAlO2, một chất dẫn điện ion tốt và có thể làm tăng tốc độ khuếch tán của ion lithium. Điều này chủ yếu là do LiAlO2 làm giảm hàng rào năng lượng khuếch tán của ion lithium.
(5) Phản ứng với LiPF6 để tạo ra phụ gia điện phân LiPO2F2
Nhôm oxit được phủ trên bề mặt vật liệu điện cực dương có thể phản ứng với muối lithium (LiPF6) trong chất điện phân để tạo ra lithium difluorophosphate (LiPO2F2), một phụ gia điện phân ổn định, có thể cải thiện đáng kể độ ổn định chu kỳ, độ an toàn và hiệu suất tốc độ của vật liệu điện cực dương.
(6) Ức chế hiệu ứng Jahn-Teller
Hiệu ứng Jahn-Teller là nguyên nhân chính gây ra sự hòa tan các ion Mn trong vật liệu điện cực dương, có thể gây ra sự sụp đổ cấu trúc vật liệu điện cực dương và cản trở sự khuếch tán của các ion lithium, từ đó làm giảm hiệu suất điện hóa của vật liệu điện cực dương.
Năm công nghệ phủ chính
Phương pháp tẩm: Thêm vật liệu điện cực dương vào dung dịch hoặc sol chứa tiền chất nhôm để tạo thành hỗn hợp sệt đồng nhất, sau đó sấy khô và nung để tạo thành vật liệu điện cực dương phủ alumina.
Phương pháp kết tủa: Trộn đều vật liệu điện cực dương và dung dịch như nhôm nitrat hoặc nhôm clorua, điều chỉnh giá trị pH của dung dịch hỗn hợp để tạo thành lớp phủ trên bề mặt vật liệu điện cực dương, và cuối cùng tạo ra vật liệu điện cực dương phủ alumina bằng cách lọc, rửa, sấy khô và xử lý nhiệt.
Quy trình phủ khô: Nhôm oxit và vật liệu điện cực dương có thể được trộn trực tiếp để tạo thành lớp phủ thô trên bề mặt vật liệu điện cực dương. Mặc dù không thể đạt được lớp phủ đồng đều trên bề mặt vật liệu điện cực dương, nhưng nó vẫn có tác động tích cực đến việc cải thiện hiệu suất điện hóa của vật liệu điện cực dương.
Phương pháp phún xạ: Phương pháp phún xạ sử dụng các ion Ar+ để bắn phá vật liệu mục tiêu (Al), do đó các nguyên tử Al bị phún xạ và lắng đọng trên bề mặt vật liệu điện cực dương.
Công nghệ lắng đọng lớp nguyên tử (ALD): Sử dụng trimethylaluminum và các vật liệu khác làm nguồn nhôm, oxit nhôm được phủ lên bề mặt vật liệu điện cực dương. Độ dày có thể được kiểm soát chính xác, và độ dày lớp phủ tăng lên đạt được bằng cách tăng số chu kỳ ALD.