组分比例对Li(NixCoyMn1-x-y)O2正极材料结构及其电化学性能影响的机理研究

作者：吴颜如; 张念; 章辉; 柳娜; 徐中领; 李奇锋; 陈玉君; 刘啸嵩^*

来源：核技术, 2019, 42(11): 11-21.

• Li(NixCoyMn1-x-y)O2
• 正极材料
• 电子结构
• X射线吸收谱

Li(NixCoyMn1-x-y)O2(NCM)是具有能量密度大、循环稳定性高、低廉价格等良好性能的新型锂离子电池正极材料,在电动汽车等领域已开始成功应用。NCM材料中,3d过渡金属Ni、Co和Mn元素的不同配比对材料的结构和电子结构都会产生重要影响。因此,组分比例的研究有助于优化NCM材料的电化学性能,推动其在动力电池和大型储能装置中有更广泛的应用。本文选取工业常用的Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2(NCM622)、Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2(NCM523)和Li(Ni0.33Co0.33Mn0.33)O2(NCM333)三种正极材料,采用恒流充放电测试、扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)、X射线衍射(X-ray Powder Diffraction,XRD)和X射线吸收谱(X-ray Absorption Spectroscopy,XAS)等表征方法,研究了不同元素配比对材料结构及电化学性能的影响,从而建立结构与电化学的对应关系。电化学测试结果表明:Ni含量越高,充放电容量越高,但倍率稳定性能越差。SEM和XRD结果表明:三种配比的颗粒尺寸和晶体结构基本保持一致。XAS测试结果表明:NCM材料中,Ni含量越高,Ni的价态越高,O在低能量处的吸收峰增强,说明Ni3d-O2p的杂化增强。Ni和O的电子结构的演变与电化学稳定性具有相关性,可能成为电化学稳定性变化的原因之一。综合三种材料研究结果,平衡容量密度和倍率性能,NCM523成为较优配比。

• 单位
  中国科学院上海微系统与信息技术研究所; 中国科学院大学; 上海科技大学; 宁德时代新能源科技股份有限公司