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2024-10-11
目前，鋰離子電池(LIB)被廣泛應用于各種設備中，預計未來十年鋰離子電池市場將增長五倍以上。特別是電動汽車(EV、PHEV、HEV等)用中大型電池和儲能系統(tǒng)(ESS)的快速普及將推動市場增長。
此外，隨著移動設備和電動汽車(EV)市場的急劇增長，電池的快速充電性能已成為提高用戶便利性的重要問題。近年來，高鎳基層狀氧化物作為高容量正極材料因其優(yōu)異的能量密度和高倍率性能而受到廣泛關注。
然而，隨著鎳含量的增加，由鋰嵌入引起的層狀結構的晶格變化變得更大，這導致構成多晶的一次顆粒之間的晶界處產(chǎn)生微裂紋，導致循環(huán)壽命性能下降、氣體產(chǎn)生增加和安全隱患。為了研究顆粒形貌對高鎳層狀正極材料快速充電特性的影響，通過仔細的微觀結構設計，合成了具有不同一次/二次顆粒尺寸的單晶和二次顆粒型正極。通過比較不同電流速率下的充電特性，確定了晶體和顆粒尺寸對快速充電性能的影響。
此外，通過重復的快速充電實驗證實了快速充電對高鎳正極材料循環(huán)壽命性能的影響。初級顆粒的尺寸(結晶尺寸)對快速充電性能的影響比整個顆粒尺寸的影響更大。
此外，為了抑制高鎳正極在快速充電過程中的性能下降，通過抑制微裂紋來抑制表面積的增加非常重要，并且還需要精確控制一次顆粒的尺寸以實現(xiàn)高效充電。
為了研究顆粒形貌對高鎳材料快速充電特性的影響，對二次顆粒和兩個不同晶粒尺寸的單顆粒進行了不同電流倍率充電和重復快速充電的電化學測試。具有相對較小晶粒尺寸的顆粒表現(xiàn)出更好的初始快速充電特性。另一方面，沒有晶界的單晶型顆粒在快速充電后表現(xiàn)出更好的結構穩(wěn)定性。此外，重復的快速循環(huán)進一步加速了結構退化，包括晶間裂紋，這一點通過SEM圖像、平均電壓變化、阻抗增長以及dq/dV曲線中拾取位置的變化得到證實。
研究表明，鋰擴散、表面副反應以及顆粒內(nèi)部裂紋引起的劣化同時影響高鎳顆粒的快速充電性能。因此，需要一種包括一次/二次顆粒形態(tài)控制的系統(tǒng)方法來提高高鎳正極材料的快速充電性能。
[1]Kim, Y.S., Kim, J., Kim, CS. et al. Effect of particle morphology on the fast-charging properties of high-nickel cathode materials. Korean J. Chem. Eng. 40, 532–538 (2023). https://doi.org/10.1007/s11814-023-1386-2
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