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華南理工胡仁宗EnSM: 改善低溫鋰離子電池正極電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的策略

鋰離子電池 (LIB) 已被廣泛用作消費電子產(chǎn)品和電動汽車的主要電源。然而，由于電極、電解液及其界面中的Li離子傳輸動力學(xué)緩慢，LIB在低于0°C時容量和續(xù)航能力通常會嚴(yán)重降低。

在此，華南理工大學(xué)胡仁宗教授等人總結(jié)了基于LIBs正極視角的零下低溫運(yùn)行時電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的最新進(jìn)展。首先，作者主要討論了零下低溫對幾種典型正極材料電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的影響，包括橄欖石型LiFePO₄ (LFP)、Li₃V₂ (PO₄)₃(LVP)、層狀LiCoO₂ (LCO)、富鎳LiNi_1-xyCo_xMn_yO₂ (NCM) 和LiNi_1-xyCo _xAl_yO₂ (NCA)，以及富Li、Mn的Li_1-xNi_1-xyzCo_yMn_zO₂(LMR)。

然后，詳細(xì)討論了為增強(qiáng)這些典型正極材料在零下溫度下的界面和內(nèi)部反應(yīng)動力學(xué)而開發(fā)的各種策略。隨后，提供了LFP、LVP、NCM和LMR正極材料的研究和相關(guān)性能的簡短比較。

最后，提出了應(yīng)對低溫正極材料慢動力學(xué)挑戰(zhàn)的具體建議和想法，啟發(fā)了LIBs和其他用于零下溫度應(yīng)用的器件的進(jìn)一步發(fā)展。

圖1. 低溫下Li離子在LIB各組分中遷移路徑的示意圖

LFP正極在零下溫度下缺乏良好的應(yīng)用潛力，現(xiàn)階段，LVP和NCM正極可能更適合低溫LIBs的應(yīng)用，但釩源的污染和安全問題需要重點關(guān)注。LMR正極在低溫下運(yùn)行顯示出低電化學(xué)極化，并具有進(jìn)一步應(yīng)用的良好潛力，但其急劇下降的容量需要進(jìn)一步改善，新結(jié)構(gòu)的設(shè)計可能是有效的解決途徑。此外，為了實現(xiàn)低溫LIBs的商業(yè)應(yīng)用，應(yīng)考慮電極的面積負(fù)載和活性面積的影響，改善正極材料的低溫環(huán)境限制仍然需要?

a) 選擇合適的導(dǎo)體材料來修飾LVP正極，

b) 結(jié)合晶體設(shè)計和體摻雜為層狀正極提供更快的離子擴(kuò)散通道，

c) 促進(jìn)LMR正極中Li₂MnO₃相的電化學(xué)活化。

此外，其他潛在正極的低溫反應(yīng)動力學(xué)仍有待進(jìn)一步研究?？梢灶A(yù)見，在增強(qiáng)正極材料低溫動力學(xué)方面的不斷改進(jìn)將為構(gòu)建具有高能量密度的商業(yè)LIB帶來光明的未來。

圖2. 常見的四種低溫性能改進(jìn)策略及其基本原理

Strategies to Improving Electrochemical Reaction Kinetics of Cathode Materials for Subzero-temperature Li-ion Batteries: A Review, Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.10.032

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