钼在改善锂电池正极材料性能中的作用

昆士兰大学的一项研究表明，钨钼（Mo）等特殊金属材料能改善锂电池中正极材料的电化学性能，特别是循环稳定性。随着电动车行驶里程的增加，需增加镍以提高能量密度，但这同时也会降低循环的稳定性。钨钼能通过增强结构稳定性和正极表层对电极/电解质的侧面反应的抵抗改善稳定性。

镍钴锰三元氧化物材料（NCMs）和镍钴铝材料（NCAs）因其能量密度高、循环性能好、安全性能好、成本相对较低，一致被认为是锂离子电池（LIBs）的理想正极材料。

从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) 和超高镍（Li [NixCo_yMn_1-x-y] O₂中x>0.8）。研究人员不断在探索锂电池的容量。然而，增加镍的含量将大大降低其他电池性能，如循环稳定性（特别是长期循环）和热稳定性。

在增加锂电池正极材料的稳定性中发现钼具有重要作用。对于NCM622，研究人员发现0.7 mol%的Mo掺杂提高了循环稳定性。在4.6V的电压下，1C的容量为203 mAh-g^-1，而且掺Mo的样品的容量保持率比原始样品高。一项新的研究结果是，掺入Mo后明显抑制了颗粒的粉碎。研究人员进一步发现1 mol%的Mo掺杂是最佳水平。

随着Mo掺杂量的增加，初级粒子的尺寸也在减小，即掺杂量为0、0.5、1、1.5和2 mol%时，初级粒子的尺寸分别为800、400、300、200和150纳米。较小的颗粒增加了表面积，缩短了Li⁺的传输路径。存在的一个问题可能是测试的循环次数有限（<200次），因为除非在高电压下进行长期循环测试，否则Mo掺杂对循环稳定性的负面影响可能不会出现。

对于NCM811，研究人员尝试用Mo掺杂来改变热稳定性，其中Mn被Mo所取代。DSC结果证明，电极/电解质的放热反应减少了，这与NCM523的结果一致。采用热解吸光谱-质谱法（TDS-MS）来测量气体，检测到了O₂、HF和CO₂。掺入Mo的样品的氧气释放量比原始样品少得多，证明了其热稳定性的提高。在200-350℃时，Mo掺杂抑制了从尖晶石到岩盐的相变。然而，掺Mo的样品的放电能力比原始样品的低。这可能是由于Mo的高含量（2和4 mol%），因为以前的研究证明通常1 mol%的Mo是最佳水平。

适度的Mo掺杂可以促进表层岩盐的形成，因为Mo⁶⁺引起的Ni²⁺浓度增加。循环前形成的岩盐将缓解循环过程中从层状结构到岩盐的进一步相变。最佳的Mo含量为1wt%，在1C条件下有184 mAh-g^-1的高容量，100次循环后容量保持率为~92%。Mo掺杂（1-3mol%）可以大大改善电化学性能。主要的进展是理论上的解释，即Mo⁶⁺会更好地替代Ni位点，因为密度泛函理论（DFT）计算证明，与Li、Co和Mn相比，Ni/Mo交换显示出最低的替代能量。Mo⁶⁺对Ni阳离子的替代和Ni²⁺浓度的增加也可以提高Ni²⁺在颗粒局部位点的相对富集度，诱发岩盐相的形成。

上述讨论表明，在锂电池正极材料中使用钼进行掺杂/涂层是一种有前途的策略，可以改善包括NCM、NCA和超高镍材料在内的层状结构阴极材料的循环稳定性，一般表现为较低的电位极化、较小的电荷转移电阻增加和循环中较少的微裂缝。

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