Nehmen Sie die Verbesserung der Zyklenstabilität in Li-reichen Mn-basierten Kathodenmaterialien durch integrierte Fest-Flüssig-Gas-Schnittstellentechnik

Würdigung der Literatur: Nehmen Sie die Verbesserung der Zyklenstabilität in Li-reichen Mn-basierten Kathodenmaterialien durch integrierte Fest-Flüssig-Gas-Schnittstellentechnik

AutorICHInformationen andAArtikelSZusammenfassung

Im Jahr 2022 entwickelte ein Team unter der Leitung von Professor Peng Dongliang und dem Forscher Xie Qingshui von der Universität Xiamen eine integrierte Methode zur Oberflächenmodifikation mit festem Flüssiggas, bei der eine CEI-Vorstrukturschicht und eine Defektheterostruktur auf der Oberfläche von Kathodenmaterial (LRM) auf Lithium-reicher Manganbasis eingeführt wurden Die Zyklenfestigkeit des Materials wurde deutlich verbessert. Diese Arbeit hat eine neue Idee zur Regulierung der Stabilität der LRM-Oberfläche und -Schnittstelle eröffnet, die eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Energiedichte spielt. Professor Peng Dongliang und der Sonderforscher Xie Qingshui von der School of Materials der Universität Xiamen sind die entsprechenden Autoren dieses Artikels, und Guo Weibin, ein Doktorand der School of Materials der Universität Xiamen, ist der Erstautor dieses Artikels.

Probenvorbereitung und Prüfung

1. Vorbereitung des ersten Kathodenmaterials PLRM auf Lithium- und Manganbasis;

2. Herstellung von Lithium-reichem Mangan-Kathodenmaterial DLRM mit Unterstützung von Dimethyloxalat (DMO);

3. Testgegenstände: Zusammensetzungsanalyse, Kristallstrukturanalyse, Morphologieanalyse, elektrochemische Leistungsanalyse, DFT-Berechnung, Elektrodenwiderstandsanalyse (BER1300-IEST), In-situ-Gasproduktionstest des weichgepackten elektrischen Kerns (GVM2200-IEST) usw.

Ergebnisanalyse

Wie in Abbildung 1 dargestellt, stellte der Autor fest, dass nach der DMO-unterstützten Oberflächen-/Grenzflächenmodifikation von LRM eine gleichmäßige CEI-Vorstrukturschicht und Defektheterostruktur auf der Oberfläche von LRM-Sekundärpartikeln und der Oberfläche/Grenzfläche interner Primärpartikel gebildet werden können. Die CEI-Vorstrukturschicht enthält eine C2O4H2-Gruppe und die defekten Heterostrukturen umfassen Lithiumdefekte, Sauerstoffleerstellen, Spinell-/Schichtheterostrukturen, TM-Leerstellen, Stapelfehler usw.

Abbildung 1. Schematische Darstellung der Oberflächenmodifikationsmethode für die Fest-Flüssig-Gas-Integration sowie Morphologie und Mikrostruktur des modifizierten LRM

Durch Vergleich des elektronischen Widerstands der Materialien auf Elektrodenschichtebene vor und nach der Modifikation (Abb. 2) kann festgestellt werden, dass der Elektrodenschichtwiderstand von DLRM geringer als der von PLRM ist und der Ionentransferwiderstand Rct des anfänglichen DLRM geringer ist auch weniger als PLRM; Nach 500 Zyklen bei 1 °C war das Rct-Wachstum von DLRM ebenfalls deutlich geringer als das von PLRM. Bei der Analyse der Gründe wird die Verringerung von Rct hauptsächlich auf das Vorhandensein fehlerhafter Heterostrukturen auf der Oberfläche zurückgeführt, wie z. B. Lithium-Leerstellen, Sauerstoff-Leerstellen und TM-Leerstellen, die die Diffusionsbarriere von Li+ verringern, während die Spinell-/Schicht-Heterostrukturen diese verbessern können elektronische Leitfähigkeit und bieten einen schnellen dreidimensionalen Diffusionskanal für Li+, sodass DLRM eine bessere Vergrößerungsfähigkeit aufweist.

Durch Analyse der Morphologie der Probe nach der Zirkulation gibt es eine dicke, raue und rissige CEI-Schicht auf der Oberfläche der PLRM-Partikel nach der Zirkulation, während die CEI-Schicht auf der Oberfläche von DLRM offensichtlich dünn und gleichmäßig ist, was darauf hindeutet, dass es sich um eine konstruierte CEI handelt Vorstrukturschichten und defekte Heterostrukturen können die Korrosion des Elektrolyten auf der Materialoberfläche effektiv verlangsamen und einige Nebenreaktionen des Elektrolyten vermeiden. Um den Grad der Nebenreaktion der beiden Materialien zu bestätigen, wurde der In-situ-Volumenänderungstest an der aus den beiden Materialien zusammengesetzten einschichtigen Soft-Package-Batterie durchgeführt (Abb. 3). Die Volumenänderung während des Lade-Entladevorgangs im ersten Zyklus wird hauptsächlich durch aerobe Ausfällung und Grenzflächennebenreaktionen verursacht. Vergleich der Volumenänderung der beiden Arten von Stromkernen,

Abbildung 2. Ergebnisse des LRM-Elektrodenwiderstands und der EIS-Impedanzprüfung vor und nach der Modifikation

Abbildung 3. In-situ-Volumentestergebnisse des weichgepackten elektrischen Kerns von LRM vor und nach der Modifikation

Die Ergebnisse des elektrochemischen Leistungstests zeigen (Abb. 4), dass im Vergleich zu PLRM die spezifische Ladungskapazität des modifizierten DLRM abnimmt, während die spezifische Entladungskapazität zunimmt. Dies liegt vor allem daran, dass das modifizierte DLRM die restliche Lithiumquelle auf der Oberfläche des Materials entfernt und Lithiumdefekte und Spinellstrukturen auf der Oberfläche bildet, was die Oberflächenstabilität des Materials effektiv verbessert und so eine hohe erste Coulomb-Effizienz erzielt. Darüber hinaus weist DLRM eine bessere Vergrößerungsleistung und Zyklenstabilität auf. Nach 500 Zyklen bei 1 °C kann die Kapazitätserhaltungsrate von DLRM immer noch 83,3 % erreichen, was deutlich höher ist als 72,9 % von PLRM.

Abbildung 4. Testergebnisse der elektrischen Leistung von LRM vor und nach der Verbesserung

Zusammenfassung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die DMO-unterstützte Oberflächenmodifikationsmethode für die Integration fester flüssiger Gase verwendet wurde, um eine vorstrukturierte CEI-Schicht und eine Defektheterostruktur auf der Oberfläche von Kathodenmaterial (LRM) auf Lithium-reicher Manganbasis einzuführen, wodurch die Oberflächen- und Strukturstabilität von LRM effektiv verbessert und somit verbessert wurde seine umfassende elektrochemische Leistung. Diese Arbeit stellt eine einfache Methode zur Verbesserung der Zyklenstabilität von geschichteten Kathodenmaterialien bereit, die voraussichtlich in der industriellen Produktion Anwendung finden wird.

Originaldokumente

Weibin Guo, Yinggan Zhang, Liang Lin, Wei He, Hongfei Zheng, Jie Lin, Baisheng Sa, Qiulong Wei, Laisen Wang, Qingshui Xie und Dong-Liang Peng. Verbesserung der Zyklenstabilität in Li-reichen Mn-basierten Kathodenmaterialien durch Feststoff- Integrierte Flüssiggas-Schnittstellentechnik. Nano Energy 97 (2022) 107201.https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107201  

IEST-bezogene Testgeräteempfehlung

Ausrüstung I:

Elektrodenschichtwiderstandsmessgerät: Das Modell BER1300 (IEST), das die Methode des Elektrodenwiderstands mit steuerbarer Doppelebenen-Scheibenelektrode verwendet, weist die folgenden Eigenschaften auf:

1. Trennen Sie Spannungs- und Stromleitungen, beseitigen Sie den Einfluss der Induktivität auf die Spannungsmessung und verbessern Sie die Erkennungsgenauigkeit.

2. Die Scheibenelektrode mit einem Durchmesser von 14 mm sorgt für eine relativ große Kontaktfläche mit der Probe und reduziert den Testfehler;

3. Messen Sie direkt den Längsdurchdringungswiderstand des realen Elektrodenstücks, d. h. die Summe aus Beschichtungswiderstand, Beschichtungs- und Kollektorflüssigkeitskontaktwiderstand und Kollektorflüssigkeitswiderstand;

4. Es kann die Änderungen des Elektrodenschichtwiderstands, der Elektrodenschichtdicke und der Elektrodenschichtdruckdichte mit Druck in Echtzeit überwachen.

5. Der ausgeübte Druck kann genau gesteuert werden, um die Konsistenz der Testdaten sicherzustellen;

Ausrüstung2:

In-situ-Gasproduktionsmengenüberwachung: Modell GVM2200 (IEST), mit folgenden Merkmalen:

1. Elektromechanisches konzentrisches Prüfsystem: Langzeit-In-situ-Online-Überwachung mit hoher Auflösung μ L；

2. Realisieren Sie unterschiedliche Temperaturtestumgebungen: 20 ~ 85 ℃;

3. Spezielle Testsoftware: Sammeln und zeigen Sie die Daten des mechanischen Testsystems in Echtzeit an und zeichnen Sie automatisch die Volumenänderungskurve und die elektrische Leistungskurve;