電動車的長續航力和快速充電需要高性能的鋰離子電池,而正極材料是其中最重要的組成部分之一。然而在循環過程中正極易發生破裂並與電解液不斷發生副反應,嚴重損害電池的循環壽命和倍率性能。表面塗層可以降低應力,增加液體電解質的潤濕性,降低界面電荷轉移阻力,減少副反應,從而有效優化正極材料。但表面塗層的物理化學性質對電化學性質的影響以及循環過程中表面塗層的演變仍需進一步了解。此外,最佳表面塗覆材料和塗覆方法尚未得到系統性的總結和概括。
1.正極表面塗層的要求
表面塗層的要求包括:1)薄且均勻; 2)離子和電子電導率; 3) 充放電循環後具有較高的機械性質與穩定性; 4)塗層製程簡單,可擴展。
2.表面塗層的作用
表面塗層對正極材料的作用:1)物理屏障,抑制副反應; 2)去除HF,防止電解質化學侵蝕,減少過渡金屬的溶解; 3)提高電子和離子導電性; 4)表面化學改性,促進界面離子電荷轉移; 5)穩定組織,降低相變應力。
塗層材料類型
1.金屬氧化物
金屬氧化物塗層作為正極材料和電解質之間的物理屏障,不參與電化學反應。缺點是鋰離子傳導性較差。在某些情況下,塗覆金屬氧化物的正極材料的倍率性能會下降。這是由於阻抗(Rct)增加所引起的。然而,很少有報告指出這種惰性金屬氧化物塗層可以改善電荷轉移。
2.磷酸鹽
磷酸鹽包覆可以改善正極材料的離子傳輸性能。富鎳層狀氧化物的循環性能差、安全性問題阻礙了其大規模應用。表面塗層是緩解富鎳正極挑戰的有效方法。 NCM表面的Li3PO4塗層阻止了NCM正極表面與電解液的直接接觸,從而抑制了副反應和電阻表面膜的形成。
3. 用作塗層的電極材料
電極材料已用作陰極塗層材料。一般來說,應該將穩定性較高的材料包覆在穩定性較差的材料上,以提高材料整體的穩定性和性能。其好處是它們在陰極和電解質之間提供了物理屏障,抑制了副反應,改善了電荷轉移動力學,並賦予陰極材料更好的電化學性能。但要實現均勻、薄的電極材料塗層卻十分困難。而且,需要較高的熱處理溫度才能形成良好的塗層,這可能會導致正極材料分解。對於此類塗層,需要選擇最佳的塗層材料和塗層條件。
4. 固體電解質和其他離子導體作為塗層
固體電解質在室溫下具有較高的離子電導率,適合作為陰極塗層,但電子電導率較低。由於其高離子電導率,預計它們能夠改善陰極/電解質界面處的電荷轉移。此外,固體電解質塗層提供了抑制副反應的物理屏障。
5.導電聚合物
導電聚合物塗層可以形成具有高電子電導率的均勻薄膜並改善陰極/電解質界面處的電荷轉移。
6. 表面摻雜
表面塗覆法是在正極表面形成一層物理阻擋層,這層通常對電解液的反應性較小,進而改善材料的結構和熱穩定性。