Для большого запаса хода и быстрой зарядки электромобилей требуются высокопроизводительные литий-ионные аккумуляторы, а материал катода является одним из важнейших компонентов. Однако катод склонен к разрыву во время цикла и имеет непрерывные побочные реакции с электролитом, что серьезно ухудшает срок службы и производительность аккумулятора. Поверхностное покрытие может снизить напряжение, повысить смачиваемость жидкого электролита, снизить сопротивление переносу заряда на границе раздела и уменьшить побочные реакции, тем самым эффективно оптимизируя материал катода. Однако влияние физико-химических свойств поверхностного покрытия на электрохимические характеристики и эволюцию поверхностного покрытия во время цикла все еще необходимо изучить более подробно. Кроме того, оптимальные материалы и методы поверхностного покрытия не были систематически обобщены и резюмированы.
1. Требования к покрытию поверхности положительного электрода
Требования к покрытию поверхности включают: 1) тонкое и однородное; 2) ионную и электронную проводимость; 3) высокие механические свойства и стабильность после циклов заряда/разряда; 4) процесс нанесения покрытия прост и масштабируем.
2. Роль поверхностного покрытия
Роль поверхностного покрытия на материалах положительного электрода: 1) Физический барьер, ингибирующий побочные реакции; 2) Удаление HF, предотвращение химической эрозии электролитов и уменьшение растворения переходных металлов; 3) Улучшение электронной и ионной проводимости; 4) Химическая модификация поверхности, способствующая переносу заряда ионов на границе раздела; 5) Стабилизация структуры и снижение напряжения фазового перехода.
Тип материала покрытия
1. Оксид металла
Покрытие из оксида металла действует как физический барьер между материалом катода и электролитом и не участвует в электрохимической реакции. Недостатком является плохая проводимость ионов лития. В некоторых случаях снижается производительность катодного материала, покрытого оксидом металла. Это вызвано повышенным импедансом (Rct). Однако есть несколько сообщений о том, что этот тип покрытия из инертного оксида металла может улучшить перенос заряда.
2. Фосфат
Фосфатное покрытие может улучшить свойства переноса ионов катодных материалов. Проблемы циклирования и безопасности слоистых оксидов с высоким содержанием никеля затрудняют их широкомасштабное использование. Покрытие поверхности является эффективным способом смягчения проблем катодов с высоким содержанием никеля. Покрытие Li3PO4 на поверхности NCM предотвращает прямой контакт поверхности катода NCM с электролитом, тем самым подавляя побочные реакции и образование резистивных поверхностных пленок.
3. Электродные материалы в качестве покрытий
Электродные материалы использовались в качестве материалов катодного покрытия. Как правило, более стабильные материалы следует наносить на менее стабильные материалы для повышения общей стабильности и производительности материалов. Преимущество заключается в том, что они обеспечивают физический барьер между катодом и электролитом, подавляют побочные реакции, улучшают кинетику переноса заряда и придают материалу катода лучшие электрохимические характеристики. Однако трудно добиться равномерного и тонкого покрытия материала электрода. Более того, для формирования хорошего покрытия требуются более высокие температуры термообработки, что может привести к разложению материала катода. Для этого типа покрытия необходимо выбрать лучший материал покрытия и условия покрытия.
4. Твердые электролиты и другие ионные проводники в качестве покрытий
Твердые электролиты обладают высокой ионной проводимостью при комнатной температуре и подходят в качестве катодных покрытий, но имеют низкую электронную проводимость. Ожидается, что благодаря высокой ионной проводимости они улучшат перенос заряда на границе раздела катод/электролит. Кроме того, покрытия из твердых электролитов обеспечивают физический барьер, который подавляет побочные реакции.
5. Проводящие полимеры
Покрытие из проводящего полимера может образовывать однородную пленку с высокой электронной проводимостью и улучшать перенос заряда на границе раздела катод/электролит.
6. Поверхностное легирование
Метод поверхностного покрытия заключается в формировании физического барьерного слоя на поверхности положительного электрода, который обычно менее реактивен по отношению к электролиту, тем самым улучшая структуру и термическую стабильность материала.