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薄积薄发——超薄包覆提升锂离子电池性能

自90年代以来,锂离子电池以其高能量密度和稳定的循环性能成为众多便携式电子设备的首选移动电源。然而,近年来便携式电子设备以及电动汽车的飞速发展对现有移动电源提出了更高的要求,进一步提升锂离子电池的能量密度和循环寿命成为锂离子电池应用领域的重要研究方向。在众多进一步提高锂离子电池性能的研究中,表面包覆曾一度成为提高锂离子电池循环稳定性的重要手段,并得到广泛认可。然而,传统的包覆方法仍有一定的局限性,如包覆层易团聚、包覆厚度难以精确控制等。

南加州大学周崇武教授课题组房昕博士等曾首次将原子层沉积方法应用于超薄氧化铝包覆镍锰酸锂5V正极的研究中,使得锂离子电池的能量密度和循环性能得以同时提高:原子层沉积的方法将包覆厚度精确控制在纳米量级,且可用于已成膜的电极包覆;而镍锰酸锂作为最有前景的高电压正极材料,可以将电池工作电压提高20%-30%,从而提高电池的能量密度。文章以封面形式发表于Energy Technology (DOI: 10.1002/ente.201300102 )。基于上述研究,周崇武教授课题组与劳伦斯伯克利国家实验室Marca Doeff博士研究团队及弗吉尼亚理工大学林锋教授合作,利用X射线吸收谱和电子能量损失谱对超薄氧化铝包覆层在镍锰酸锂循环中的作用进行了深入探索。对比发现,超薄包覆过的电极在循环中更容易保持原有的氧化态,而未经包覆的电极表面在高压循环过程中易与电解液发生副反应而产生低价锰。副反应的发生导致镍锰酸锂阻抗增加,库仑效率降低,循环性能下降。利用原子层沉积技术对极片进行氧化铝包覆,克服了传统的绝缘层包覆易增加电池内阻的弊端,包覆厚度精确调控到2纳米以内,正常的锂离子和电子传输得以保持,而电极表面与电解液的副反应得到抑制,循环性能表现出明显提高。

该研究是首次发现超薄氧化铝包覆提高锂离子电池5V正极循环性能的作用机理,为将来的表面包覆和循环性能研究提供了新思路,具有重要的指导和借鉴意义。文章发表于Advanced Function Materials(DOI: 10.1002/adfm.201602873)上,并以inside back cover形式报道。

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