​ACS Energy Letters:869 Wh/kg高比能正极,12分钟充满电!

本文研究了快速充电对Li[Ni0.92Co0.06Al0.01Nb0.01]O2(Nb-NCA93)正极的影响,其能量密度高达869 Wh kg-1。

​ACS Energy Letters:869 Wh/kg高比能正极,12分钟充满电!
电动汽车(EV)市场的不断扩大,推动了对使用富镍正极的高能量密度电池的需求。然而,富镍正极在极端快充(XFC)条件下的运行会损害其结构的完整性,从而导致容量迅速下降;实现富镍正极在XFC条件下的可操作性,同时最大限度地提高能量密度和长期循环性能是一个挑战。
韩国汉阳大学Chong Seung Yoon、Yang-Kook Sun等研究了快速充电对Li[Ni0.92Co0.06Al0.01Nb0.01]O2(Nb-NCA93)正极的影响,其能量密度高达869 Wh kg-1
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图1. NCA93正极在半电池中的性能
具体而言,作者首先通过透射电子显微镜(TEM)彻底研究了快速充电对富镍NCA93结构的影响,然后采用试错法,通过向NCA93正极引入不同的离子,实现了具有有利于XFC的精细微结构的正极。
研究发现,NCA93正极是一种富含镍的层状正极,由于充电后正极中残余锂的不均匀分布,即使在第一次充电时,它也会受到不可逆的机械损伤。粒子细化,即通过引入1摩尔%的Nb,将初级粒子尺寸减少到纳米级,可有效地解决快速充电带来的挑战。
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图2. NCA93、B-NCA93和Nb-NCA93正极的快充性能
研究显示,在充电结束时,由突然的晶格收缩引起的内部应力被许多初级粒子的边界所抵消,这些边界使传播中的裂缝发生偏转,使次级粒子断裂增韧。
此外,锂离子的迁移也通过众多的颗粒间边界的短路扩散而得到加速。由此产生的全电池可在12分钟内达到满电,并在1000次循环后保持其初始容量的85.3%(以全深度放电循环)。此外,Nb-NCA93正极由于其独特的微观结构,在XFC条件下产生的热量有限。
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图3. 充电后Nb-NCA93正极的机械稳定性和电导率
High-Energy-Density Li-Ion Battery Reaching Full Charge in 12 min. ACS Energy Letters 2022. DOI: 10.1021/acsenergylett.2c02032

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