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漢陽大學(xué)AEM: 用于長續(xù)航和長壽命電動(dòng)汽車的高能富鎳正極材料

電動(dòng)汽車（EV）中的鋰離子電池（LIB）通常間歇運(yùn)行并長時(shí)間保持在高充電狀態(tài)（SoCs）。由于機(jī)械不穩(wěn)定性，富鎳正極的內(nèi)部顆粒很容易在高SoC下暴露于電解液中，而暴露時(shí)間（在此期間高反應(yīng)性Ni⁴⁺與電解液反應(yīng)）嚴(yán)重影響正極的降解。

在此，韓國漢陽大學(xué)Yang-Kook Sun等人研究了具有核殼濃度梯度（CSG）的Li[Ni_0.88Co_0.10Al_0.02]O₂正極（CSG-NCA88）和摻雜1 mol% B的CSG-NCA88正極（CSG-NCAB87）的微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。為了確定高SoC下的暴露時(shí)間對(duì)正極降解機(jī)制的影響，作者比較了CSG-NCA88和CSG-NCAB87正極在完全充電狀態(tài)下不同保持時(shí)間下的微觀結(jié)構(gòu)、電化學(xué)性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

研究表明，對(duì)于 CSG-NCA88正極，其內(nèi)部粒子內(nèi)部很容易通過微裂紋暴露于電解液中。因此，隨著在高SoC下保持時(shí)間的增加，CSG-NCA88正極降解會(huì)隨之加速，且結(jié)構(gòu)損傷會(huì)在整個(gè)二次粒子中累積。相比之下，在具有B摻雜的CSG-NCAB87正極中，其微觀結(jié)構(gòu)由具有較高縱橫比的初級(jí)粒子組成，從而抑制了微裂紋的形成并減少了粒子內(nèi)部在有害電解液中的暴露。

圖1. 兩種正極在高SoC下隨時(shí)間變化的微觀結(jié)構(gòu)損傷

因此，CSG-NCAB87正極即使在高SoC下長時(shí)間暴露于電解液中仍保持其原始微結(jié)構(gòu)，即使在45°C的高溫下也顯示出高循環(huán)穩(wěn)定性。此外，當(dāng)正極以3.0 C的高倍率充電時(shí)，CSG-NCAB87的容量保持率顯著提高（1800次循環(huán)后為 76.2%），因?yàn)榭焖俪潆姕p少了高SoC下的電解液暴露時(shí)間。

CSG-NCA88和 CSG-NCAB87 正極的容量衰減曲線表明，正極退化的程度取決于高SoC下的電解液暴露時(shí)間，并且微觀結(jié)構(gòu)改性可以緩解電解液暴露時(shí)間的不利影響。考慮到電動(dòng)汽車中的LIBs傾向于長時(shí)間保持在充電狀態(tài)，微結(jié)構(gòu)工程是開發(fā)富鎳正極的一種實(shí)用策略。這項(xiàng)研究所提出的CSG-NCAB87正極可在不限制SoC的情況下滿負(fù)荷使用，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的高能量密度LIB的開發(fā)。

圖2. CSG-NCAB87正極獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)在長期循環(huán)過程中的影響

High-Energy Ni-Rich Cathode Materials for Long-Range and Long-Life Electric Vehicles, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202200615

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