开发层状富镍阴极的弱酸洗涤策略

他们于 1 月 1日在Energy Material Advances上发表了他们的工作。

北京理工大学材料科学与工程学院副教授陈来说：“满足成本和性能的要求对于商业化电池来说势在必行。” “目前，锂离子电池已广泛应用于汽车市场，但仍需要进一步发展，以在竞争对手中保持竞争优势。”

陈解释说，车用锂离子电池对正极材料有严格的要求，如高比容量、合适的放电电位、快速的传输动力学和良好的结构稳定性。

“在各种候选正极材料中，层状过渡金属氧化物因其高比容量和工作电压而极具吸引力，”陈说。“就镍含量而言，镍含量在80%以上的层状富镍阴极在资本成本、重量容量和能量密度方面具有优势，这些都是商业应用的重要因素。”

但更严重的问题总是伴随着层状富镍材料中较高的镍含量。Chen 表示，最严重的问题之一是表面杂质相的形成，如岩盐 NiO 相和残留的锂化合物。这些杂质相的形成机制归因于层状富镍材料的固有性质。绝缘岩盐相阻断了 Li + /电子扩散通道，恶化了层状富镍材料的电化学性能。残留的锂化合物会降低综合性能，给后续的电极制造过程带来麻烦。

Chen 说，为了去除这些有害的表面杂质相以用于实际应用，大多数电池公司都采用了清洗工艺，将阴极粉末在纯净水中搅拌几个小时。这些洗涤过程可以显着降低表面杂质相和粉末 pH 值。然而，增加的化学敏感性和延长的处理时间仍然增加了资本成本。Chen 和他的团队回顾了最新的工作，比较了几种修饰策略，以消除未来研究应关注的不需要的表面杂质相。

“值得注意的是，酸处理的使用也被证明可以消除表面杂质相并改变富镍材料的表面结构，”陈说。“在这篇论文中，层状富镍材料用微量硼酸蚀刻，并用作模型来证明弱酸处理对表面相规律的影响。我们的目标是为该领域的未来研究提供灵感。”

“不同的酸处理总是包含三个阶段，包括表面杂质相与酸之间的酸碱中和，晶体结构与酸之间的Li + /H +离子交换和过渡金属溶解反应，以及二次煅烧过程中潜在的涂层反应” Chen认为，考虑到颗粒大小的差异、表面杂质相的不均匀性以及蚀刻过程的非瞬时特性，很难精确控制富镍阴极与酸液之间的反应程度。

“与用大量水或强酸冲洗时有害的 Li + /H +交换和过渡金属溶解反应不同，这种用微量 H 3 BO 3处理乙醇溶液将调解与本征 NiO 相和残留锂的反应以保持结构稳定性并延长循环寿命，”陈说。“我们的工作仅使用较低浓度和短时间的 H 3 BO 3洗涤来诱导化学变化并提高富镍正极的电化学稳定性，表现出更好的存储性能，对实际应用具有重要意义。”

“我们提供了一种新颖、高效且​​低成本的策略来消除表面杂质相并改善层状富镍材料的电化学性能，”陈说。“这种弱酸洗策略适合大规模生产，从而促进潜在的实际应用。”

“我们的研究结果证实了本征 NiO 相和残留的锂化合物对富镍材料表面的负面影响，并改进了对酸改性的传统理解，”陈说。“固液比、洗涤时间、弱酸浓度等洗涤参数对物料的影响仍是需要系统考察的问题。此外，还需要进一步的研究来实时验证弱酸和表面杂质相之间的这些潜在化学反应。总体而言，弱酸洗工艺的大规模应用还有很长的路要走。”

其他贡献者包括 Feng Wu, Jinyang Dong, Qi Shi, Yuanlin Nie, Yun Lu, Liying Bao, Ning Li, Shi Chen, 和 Yuefeng Su，北京工业大学材料科学与工程学院环境科学与工程北京市重点实验室技术; 陈刚，联想(北京)有限公司，宋廷禄，北京理工大学材料科学与工程学院新材料实验中心。

目前的工作得到了国家重点研发计划 (2021YFB2401800)、国家自然科学基金 (2217090605、21875022)、重庆市自然科学基金 (cstc2020jcyj-msxmX0654、cstc2020jcyj-msxmX0589) 的支持。本工作使用北京同步辐射装置资源(2021-BEPC-PT-005924、2021-BEPC-PT-005967)。