“…高镍三元正极材料循环性能不佳, 除了副反应 之外, 还与充放电过程中的表面结构变化和二次颗 粒破碎有关 [27,[67][68] 。某些特定的包覆剂在隔绝电解 液、减少副反应的同时, 也能起到稳定表面结构和 抑制微裂纹的作用。如硅酸盐和磷酸盐, 较强的 Si=O、P=O 键使过渡金属与 SiO 3 、PO 4 聚阴离子间 的共价键更强; 同时, 硅酸盐/磷酸盐比金属氧化物 具有更高的热力学与电化学稳定性, 因此能够提升 正极材料结构稳定性, 提升高电压或高温性能。 Li 2 SiO 3 包覆层能有效地隔绝高电压下电极-电解液 界面上的副反应, 更重要的是, 当锂离子在高压下 发生深度脱层时, 包覆层增强了正极材料的结构稳 定性 [69] 。此外, Li 2 SiO 3 还可以增强锂离子在电极/ 电解质界面的扩散, 防止正极材料颗粒在循环过程 中的粉化 [70] 。 Li 3 PO 4 在提升材料的倍率性能的同时, 又可以阻止 HF 和 POF 3 的侵蚀, 提升材料的循环性 能 [71] 。有证据表明, Li 3 PO 4 还能够减缓高温下的相 转变, 正极材料的初始热分解温度和放热量均明显 下降, 相转变温度提升, 并且可以抑制尖晶石和岩 盐结构之间的相转变。LiFePO 4 (LFP)正极材料得益 于其无机性质和化学稳定性, 具有优异的循环性能, 作为包覆剂使用时能够提升三元材料的高温循环稳 定性, 同时又不会降低首周放电比容量 [72] 。但是, LFP 的导电性较差, 需要通过工艺严格控制颗粒大 小和包覆层厚度 [73] 。为尽量提高三元材料的放电容 量, 需要提升其充放电截止电压, 但高电压下副反 应和不可逆相变加剧, 影响循环性能和安全性能。 在以 LFP 包覆的 NCM523 为正极组装的 5 Ah 软包 电池中, LFP 包覆层抑制了层状-尖晶石-岩盐相 的相转变, 因此该电池能够耐受 4.5 V 的高电压, 且 在满电状态下不会发生热失控 [74][75] , 其他磷酸盐也 有类似报道 [76][77] 。自从索尼公司首次推出 LiCoO 2 /C 二次电池以来, LiCoO 2 作为正极材料取得了巨大的 成功。有鉴于此, 研究者将 LiCoO 2 用于三元材料的 包覆, 发现其可以减少三元材料表面的 NiO 结构, 提升电化学性能 [78][79] 。此外, 由于 LiCoO 2 的结构稳 定性, 同时还能提升三元材料在空气中的存储性能, 减少表面镍价态、水分、残碱含量以及降低电化学 性能受暴露时间的影响 [80] 。 除材料本身的结构稳定性之外, 循环过程中二 次颗粒内部产生的微裂纹也是导致正极材料循环性 能下降的原因之一: 产生微裂纹后, 电解液即会浸 入, 并在颗粒内发生不可逆分解, 分解产物沿晶间 裂纹的积累加速了容量衰减(图 5) [81] 。在 Li 2 SiO 3 包 覆的 NCM523 中, 富硅区不仅集中在颗粒的表面, 在晶界处、 甚至在 400 nm 深处也有 Si 元素分布 [82] 。 富硅区抑制了裂纹的形成, 阻止了电解质溶液在颗 粒内的侵入和分解。LBO(硼酸锂)材料具有良好的 离子电导率和高氧化稳定性, 更重要的是在提升三 图 5 100 周循环(4.7 V)后正极材料颗粒内部微裂纹的 (a~d)SEM 照片及其(e)形成示意图 [81] Fig. 5 (a-d) SEM images of the cathode cracks in the particles cycled 100 times (4.7 V), and (e) schematic diagram showing crack formation [81] 元材料的高电压性能的同时 [83] , 也能够抑制循环过 程中微裂纹的产生, 将 NCM811 在 4.6 V 循环时微 裂纹的出现周数由 106 周延长至 211 周 [84] [54,[69][70][71]85] 。Zr 对提 升循环保持率有益处, 但对初始容量和残碱作用不 明显, P 则相反。使用 Zr/P 双包覆, 借助 Zr 和 P 的 协同作用, 可以同时提升样品的初始容量和循环性 能, 残碱的降低也较为可观 [86] 。包覆剂中的高价态…”