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等离子球磨SnO2改性三元正极材料

广州南瑞新材料科技有限公司  2020-03-23  点击107次

一句话了解全文:

利用等离子体球磨将SnO2高度分散于三元正极材料表面,获得二氧化锡包覆的三元正极材料;同时在等离子体和机械能的协同作用下SnO2氧空位的含量显著提高,氧空位含量的提高有助于加速充放电过程中电子、离子的传输速率,提高三元正极材料表面的电子电导率,从而实现了电化学性能优异的复合正极材料的设计与制备。


一、制备方法


图1:采用等离子体辅助球磨技术制备出SnO2靶向包覆的三元正极复合材料


将NCM523和SnO2粉末分别按100:0和97:3的质量比进行等离子体辅助球磨,球磨5h后获得的样品分别记为P-milled NCM523和NCM523-3SnO2。

经等离子体球磨后,NCM523的晶粒发生细化,且仍然保持良好的层状结构。



图2:(a) 原始NCM523、(b) 原始SnO2、(c) P-milled NCM523和(d) NCM523-3S


由图2可以看出纳米尺度的SnO2-x颗粒均匀地分散在NCM523的颗粒表面,得到NCM523@SnO2复合材料。

这种由导电性优异的SnO2包覆三元正极材料的结构有利于促进三元正极材料界面之间电子和离子的传输,有利于提高活性材料表面的导电性,进而改善其电化学性能。

二、结果与讨论



图3:(a)原始NCM523、(b)P-milled NCM523和(c) NCM523-3SnO2的恒流充放电曲线;(d)正极材料的首次库伦效率对比


对比充放电曲线可以看出,等离子球磨后NCM523正极的首次放电比容量与首次库伦效率都得到明显提升,分别为171mAh·g-1、84.29%;此外,在50次循环的充放电反应过程中,NCM523-3SnO2充放电曲线几乎保持完全重合,可逆性显著提高。



图4:等离子球磨后NCM523-3SnO2的(a)循环性能;(b)库伦效率;(c)倍率性能;(d-e)放电曲线;(f)SiO2分布结构示意图


经过等离子体球磨后的NCM523-3SnO2正极循环稳定性最佳,150次循环后容量仍然有152mAh·g-1,保留率为92.3%;同时,倍率性能也得到明显改善,在5C的大电流速率下,NCM523-3SnO2正极的放电容量仍有123mAh·g-1。


这是由于在等离子体能与机械能的共同作用下,SnO2高度分散于NCM523材料表面,同时SnO2氧空位的含量显著提高。而高含量氧空位的存在,可以有效改善SnO2材料的电子导电性,改善NCM523正极在界面处发生嵌脱锂反应的动力学,有利于稳定NCM523的结构以及活性材料/电解质界面。这些有利因素为NCM523-3SnO2正极提供更高的放电比容量、更好的倍率性能和更优异的循环稳定性。


上述研究成果来自于:

Zhiwei, Chen & Yuxuan, Liu & Zhongchen, Lu & Renzong, Hu & Jie,Cui & Huiyong, Xu & Yunpeng, Ouyang & Yao, Zhang &Min, Zhu.(2019). Plasma-assisted coating of nanosized SnO2 on LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 cathodes for enhanced cyclic stability of lithium-ion batteries. Journal of Alloys and Compounds. 803. Pages 71-79