AEM综述：锂离子电池层状正极材料的原子掺杂的研究进展

Nanoyu

2020-12-21

由于控制电池的电化学性能，并占据电池成本的很大一部分，正极活性材料是锂离子电池（LIBs）的关键组成部分。先前对LIBs正极的研究主要为三类:i）开发具有新化学成分的正极材料；ii）材料降解机理的研究；iii）材料性能的改进和提高。控制化学成分被认为是开发新材料、改善和提高层状正极材料结构稳定性最可行的方法之一。此外，近年来，透射电子显微镜（TEM）或X射线吸收近边结构（XANES）等具有原子分辨率的分析设备和方法的发展，使正极材料的研究取得了显著进展。

近日，韩国蔚山国家科学技术研究所Jaephil Cho从前人研究、近期研究和未来展望三个方面总结了各种锂离子正极的原子掺杂研究的进展。

文章要点

1）作者首先总结了先前关于掺杂的研究，并重点总结了几个简单离子取代的结果，其中通过掺杂Mg和La离子可以有效提高结构稳定性。此外，Al、Ti、Mg取代了Co位，在保持材料稳定性的同时，获得了较好的功率，提高了长期循环容量。

2）“电化学反应机理控制技术”的最新研究发展使人们能够深入研究各种类型的层状正极材料，如富锂、富钴、富镍材料的降解过程的全过程和各个步骤。作者从浓度梯度、核壳设计、Al掺杂、B掺杂等方面研究了富镍正极材料的不稳定性问题。富镍正极由于阳离子混合而发生严重的相变，其一种有代表性的解决方案是用B离子掺杂来减少一次颗粒的微裂纹。在富锂正极材料中，用阳离子（Nb⁵⁺、Ti⁴⁺）和阴离子（F⁻）取代氧化还原中心可以阻止阴离子还原反应，提高稳定性。

对于富钴层状材料，La和Al在LCO上的共掺杂可以克服其结构不稳定性。富钴层状材料的另一个显著进展是通过抑制阴离子间的静电斥力提高了镍掺杂LCO的稳定性。

3）随着机理控制技术的发展，人们对其降解机理进行了深入的研究，进而开发了各种类型的层状正极材料。尽管如此，近年来“电化学反应机理控制技术”的研究仍有进一步发展的空间，如通过掺杂位点控制、系统组织和优化不同正极材料的掺杂方案等实验方法。

参考文献

Pilgun Oh, et al, Recent Advances and Prospects of Atomic Substitution  on Layered Positive Materials for Lithium-Ion Battery, Adv. Energy Mater. 2020

DOI: 10.1002/aenm.202003197

https://doi.org/10.1002/aenm.202003197