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ChemElectroChem:掺氟诱导的NCM622单晶结构变化与嵌锂性能提升2021-10-14
武汉科技大学周盈科课题组制备了氟掺杂的LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NCM622)六边形纳米片单晶材料,研究了氟掺杂含量对晶体结构与电化学性能的影响。氟掺杂可改善材料的层状结构并增加晶格氧含量,提高锂离子迁移速率和晶体结构稳定性。研究结果表明,氟掺杂量为2%时的单晶NCM622纳米片具有优异的容量和循环稳定性,在锂离子电池中具有较好的应用潜力。

Li-Ni-Co-Mn-O三元层状正极材料具有比容量高、原料丰富、成本适中等优点,在先进的锂离子电池中得到了广泛的应用,其中,高镍多晶三元材料在显著提高比能量的同时,也导致了电池循环寿命、稳定性、安全性等问题。结构稳定、耐高压的单晶三元材料有望能较好地克服这些问题而受到广泛关注,但其较低的比表面积和导电性不利于电化学性能的发挥。基于前期研究基础,武汉科技大学周盈科课题组在较低温度下成功合成出六边形纳米片单晶NCM622材料,并采用NH4F为氟源,对NCM622单晶进行可控氟掺杂处理,以克服其高倍率性能较差等问题。

图1. (a) NCM-F0、NCM-F1、NCM-F2和NCM-F3的XRD图片;(b) NCM-F0的SEM照片;NCM-F2的(c)TEM和(d)HRTEM照片。

研究发现,氟元素不仅可替代6c位氧原子,与过渡金属元素形成稳定的Me-F键以增强材料的结构稳定性,还可掺杂形成氟氧化物,使材料表现出良好的抗氧化性能。在0.1 C倍率下,掺氟2%样品的放电比容量为168.3 mAh g-1,在5.0 C倍率下仍保持120 mAh g-1的可逆容量,循环100圈后的容量保持率为94.5%,表现出优异的倍率和循环性能。

进一步探索了氟掺杂对三元正极材料的影响机理,对掺氟前后NCM622单晶结构进行精修计算,发现适当氟掺杂可增加层状正极材料的锂层间距,降低锂离子迁移活化能,有助于锂离子的脱嵌。同时,适当的氟掺杂可减小过渡金属层间距,使过渡金属层与氧层紧密结合,从而稳定材料的晶体结构并提升循环稳定性。以上研究为深入理解氟元素掺杂对层状正极材料结构与电化学性能的影响机制提供了新的见解。

图2. 5.0 C时单晶NCM622的放电比容量与I(MO2) (a)和I(LiO2) (b)的关系;(c) 掺氟对单晶结构和锂离子嵌入性能的影响机制示意图。

论文信息:

Fluorine doping induced crystal space change and performance improvement of the single crystalline LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 layered cathode materials

Xiao Huang, Pengfei Zhang, Zhaofeng Liu, Dr. Ben Ma, Prof. Yingke Zhou, Dr. Xiaohui Tian

文章第一作者为黄肖和张鹏飞

ChemElectroChem

DOI:10.1002/celc.202100756