隨著對(duì)高能量密度和高功率密度鋰離子電池需求的不斷增長(zhǎng)，高性能正極材料在電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車中的應(yīng)用受到了極大的關(guān)注。在各種正極材料中，LiNi1-x-yCoxMnyO2材料表現(xiàn)出了多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，如低成本、高容量、良好的循環(huán)穩(wěn)定性和安全性能。在這一體系中，富鎳的層狀LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2（NCM）有著優(yōu)異的極小溫度依賴性的鋰離子擴(kuò)散能力，是一種高電位正極材料。

近日，天津師范大學(xué)孫學(xué)良教授課題組在NanoEnergy發(fā)表了題為“SignificantlyImprovingCyclingPerformanceofCathodesinLithiumIonBatteries:TheEffectofAl2O3andLiAlO2CoatingsonLiNi0.6Co0.2Mn0.2O2”的研究論文，成功設(shè)計(jì)出了一種NCM正極的超薄鋰鋁氧化物（LiAlO2）涂層，與Al2O3相比，它能明顯提升NCM在高截止電壓4.5/4.7V下的性能。研究表明，包覆有LiAlO2的NCM能在每次循環(huán)衰減0.078%、循環(huán)350次后，保持超149mAhg-1的可逆容量。而且LiAlO2涂覆的NCM表現(xiàn)出了比Al2O3涂覆的NCM更高的倍率性能。

(i)NCM,(ii)Al-O-1,(iii)Li-Al-O-1,(iv)Al-O-4,(v)Li-Al-O-4,(vi)Al-O-6,(vii)Li-Al-O-6

注：文中將摩爾濃度分別為0.125,0.25,0.60,1.25,2.5和12.5mol%LiAlO2所涂覆的正極材料標(biāo)記為L(zhǎng)i-Al-O-1，2，3，4，5，6；同理，Al-O-1,2,3,4，5，6分別代表不同摩爾濃度的Al2O3所涂覆的正極材料。

圖2Al-O-4和Li-Al-O-4的XPS圖譜及擬合結(jié)果

（a）原始的XPS測(cè)量圖譜；（b）鎳的圖譜；（c）鈷的圖譜；（d）錳的圖譜；（e）鋰的圖譜；（f）鋁的圖譜

圖3SEM圖像

(a)NCM，（b）Al-O-2,(c)Li-Al-O-2,(d)Al-O-4,(e)Li-Al-O-4,(f)Al-O-5,(g)Li-Al-O-5,(h)Al-O-6,(i)Li-Al-O-6

圖4Al-O-4和Li-Al-O-4的EDS能譜圖比較

圖5Al-O-4和Li-Al-O-4的HRTEM圖像

（a）Al-O-4，（b）Li-Al-O-4

鋰離子電池正極循環(huán)性能的重要提升–LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2材料上Al2O3和LiAlO2包覆層的作用

（a）NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的初始充放電曲線；

（b,c,d）在0.1mVs-1的掃描速率下的電流電壓曲線比較。

圖7電化學(xué)性能測(cè)試

（a,b,c）NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的恒流放電曲線；

（d）NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的電化學(xué)極化電壓曲線。

圖8電化學(xué)性能測(cè)試

（a）電壓范圍為2.7–4.5Vvs.Li/Li+，在0.2C(50mAg-1)速率的條件下NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的循環(huán)性能；

（b）電壓范圍為2.7–4.5Vvs.Li/Li+，25-750mAg-1的范圍，不同電流密度下NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的倍率；

（c）電壓范圍為2.7–4.7Vvs.Li/Li+，電流密度為0.2C，NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的循環(huán)性能；

（d）電壓范圍為2.7–4.7Vvs.Li/Li+，25-750mAg-1的范圍，不同電流密度下NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的倍率；

（e）2.7–4.5Vvs.Li/Li+的電化學(xué)窗口，NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的循環(huán)性能的比較。

圖9CV曲線

（a,b,c）NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2在不同掃描速率下的電流電壓曲線；

（d）電流極值ip和掃描速率的平方根v1/2的關(guān)系。

圖10NCM，Al-O-2和Li-Al-O-2的Nyquist圖及擬合數(shù)據(jù)

（a）第1次循環(huán)；

（b）第30次循環(huán)；

（c）等效電路圖

本項(xiàng)研究成功設(shè)計(jì)了增強(qiáng)離子傳導(dǎo)性的超薄鋁酸鋰薄膜，通過(guò)溶膠凝膠過(guò)程涂敷在NCM正極材料上，并以非離子導(dǎo)電Al2O3界面涂層為對(duì)比，對(duì)其性能進(jìn)行了研究。這兩類涂層都有一定的局限性，如結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、金屬離子的溶解和電解質(zhì)的分解。然而，和Al2O3涂層相比，可控的超薄LiAlO2涂層在提升NCM正極材料的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能方面更加有效。這要?dú)w因于平均放電電壓的穩(wěn)定，特別是在高截止電壓和電流密度下。因此，這項(xiàng)研究表明了鋰離子導(dǎo)電薄膜的利用為構(gòu)建高性能正極材料提供了機(jī)會(huì)。