鉬在改善鋰電池正極材料性能中的作用

昆士蘭大學的一項研究表明，鎢鉬（Mo）等特殊金屬材料能改善鋰電池中正極材料的電化學性能，特別是迴圈穩定性。隨著電動車行駛里程的增加，需增加鎳以提高能量密度，但這同時也會降低迴圈的穩定性。鎢鉬能通過增強結構穩定性和正極表層對電極/電解質的側面反應的抵抗改善穩定性。

鎳鈷錳三元氧化物材料（NCMs）和鎳鈷鋁材料（NCAs）因其能量密度高、迴圈性能好、安全性能好、成本相對較低，一致被認為是鋰離子電池（LIBs）的理想正極材料。

從LCO到LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂ (NCM111), LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂ (NCM523), LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂ (NCM622), LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂ (NCM811) 和超高鎳（Li [NixCo_yMn_1-x-y] O₂中x>0.8）。研究人員不斷在探索鋰電池的容量。然而，增加鎳的含量將大大降低其他電池性能，如迴圈穩定性（特別是長期迴圈）和熱穩定性。

在增加鋰電池正極材料的穩定性中發現鉬具有重要作用。對於NCM622，研究人員發現0.7 mol%的Mo摻雜提高了迴圈穩定性。在4.6V的電壓下，1C的容量為203 mAh-g^-1，而且摻Mo的樣品的容量保持率比原始樣品高。一項新的研究結果是，摻入Mo後明顯抑制了顆粒的粉碎。研究人員進一步發現1 mol%的Mo摻雜是最佳水準。

隨著Mo摻雜量的增加，初級粒子的尺寸也在減小，即摻雜量為0、0.5、1、1.5和2 mol%時，初級粒子的尺寸分別為800、400、300、200和150納米。較小的顆粒增加了表面積，縮短了Li⁺的傳輸路徑。存在的一個問題可能是測試的迴圈次數有限（<200次），因為除非在高電壓下進行長期迴圈測試，否則Mo摻雜對迴圈穩定性的負面影響可能不會出現。

對於NCM811，研究人員嘗試用Mo摻雜來改變熱穩定性，其中Mn被Mo所取代。DSC結果證明，電極/電解質的放熱反應減少了，這與NCM523的結果一致。採用熱解吸光譜-質譜法（TDS-MS）來測量氣體，檢測到了O₂、HF和CO₂。摻入Mo的樣品的氧氣釋放量比原始樣品少得多，證明了其熱穩定性的提高。在200-350℃時，Mo摻雜抑制了從尖晶石到岩鹽的相變。然而，摻Mo的樣品的放電能力比原始樣品的低。這可能是由於Mo的高含量（2和4 mol%），因為以前的研究證明通常1 mol%的Mo是最佳水準。

適度的Mo摻雜可以促進表層岩鹽的形成，因為Mo⁶⁺引起的Ni²⁺濃度增加。迴圈前形成的岩鹽將緩解迴圈過程中從層狀結構到岩鹽的進一步相變。最佳的Mo含量為1wt%，在1C條件下有184 mAh-g^-1的高容量，100次迴圈後容量保持率為~92%。Mo摻雜（1-3mol%）可以大大改善電化學性能。主要的進展是理論上的解釋，即Mo⁶⁺會更好地替代Ni位元點，因為密度泛函理論（DFT）計算證明，與Li、Co和Mn相比，Ni/Mo交換顯示出最低的替代能量。Mo⁶⁺對Ni陽離子的替代和Ni²⁺濃度的增加也可以提高Ni²⁺在顆粒局部位元點的相對富集度，誘發岩鹽相的形成。

上述討論表明，在鋰電池正極材料中使用鉬進行摻雜/塗層是一種有前途的策略，可以改善包括NCM、NCA和超高鎳材料在內的層狀結構陰極材料的迴圈穩定性，一般表現為較低的電位極化、較小的電荷轉移電阻增加和迴圈中較少的微裂縫。

• < 前一頁
• 下一個 >