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Arumugam Manthiram教授AEM: 不含鈷、錳的長(zhǎng)壽命高鎳層狀氧化物正極

由于對(duì)高能量密度鋰離子電池的需求不斷增長(zhǎng)，高鎳層狀氧化物如LiNi_1-x-yMn_xCo_yO₂和LiNi_1-x-yCo_xAl_yO₂正極受到越來(lái)越多的關(guān)注。

然而，其中鈷和錳的存在引發(fā)了多個(gè)問(wèn)題，包括高成本、高毒性、快速表面劣化和嚴(yán)重的過(guò)渡金屬溶解。

為此，美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Arumugam Manthiram教授等人報(bào)道了一種不含Co、Mn的超高鎳LiNi_0.93Al_0.05Ti_0.01Mg_0.01O₂ (NATM) 正極材料，并以含鈷正極LiNi_0.94Co_0.06O₂ (NC) 和最先進(jìn)的含錳正極LiNi_0.90Mn_0.05Co_0.05O₂ (NMC)為對(duì)比進(jìn)行了研究。

與NC和NMC正極相比，NATM表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和改進(jìn)的熱穩(wěn)定性，NATM能夠提供221 mAh g^-1的有吸引力的放電容量，在軟包全電池中經(jīng)過(guò)800次深度循環(huán)后，容量保持率高達(dá)82%。

圖1. NC、NMC和NATM正極的電化學(xué)性能

研究表明，富含Ti的表面以及作為NATM中穩(wěn)定離子的鋁和鎂不僅可以改善與電解液的不良副反應(yīng)，還可以減輕石墨負(fù)極上的過(guò)渡金屬溶解和活性鋰損失。因此，與NATM配對(duì)的石墨負(fù)極在廣泛循環(huán)后顯示出超薄（≈8 nm）、單層負(fù)極-電解質(zhì)相間結(jié)構(gòu)。

此外，NATM顯示出顯著增強(qiáng)的熱穩(wěn)定性，放熱溫度升高（NATM為213 °C，而NC和NMC分別為180和190 °C），并且放熱量顯著減少。這項(xiàng)工作闡明了在鋰基電池中采用低成本、長(zhǎng)使用壽命的超高鎳含量正極的合理組成設(shè)計(jì)。

圖2. 三種正極材料的熱穩(wěn)定性對(duì)比

A Cobalt- and Manganese-Free High-Nickel Layered Oxide Cathode for Long-Life, Safer Lithium-Ion Batteries, Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202102421

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