鉅大LARGE | 點擊量：466次 | 2023年01月10日
Al2O3+石墨烯摻混提升軟包鋰電池性能
添加劑是改善鋰電池電極性能、提升電池性能的有效方法，近日，福建師范大學的YongcongHuang（第一作者）和JiaxinLi（通訊作者）、ZhigaoHuang（通訊作者）等人在NCM523電極中添加了少量的Al2O3和石墨烯，顯著減少了電池大電流放電過程中的產熱，降低了電池的熱失控風險。
實驗中采用的正負極配方如下表所示，正極活性物質未NCM523材料，活性物質涂布量為30mg/cm2，負極為石墨，涂布量為17mg/cm2，N/P比為1.1。上述電極制成規格為303450的軟包鋰電池，電解液為1MLiPF6，溶劑配方為EC：EMC：DMC=1：1：1。
下圖分別為純NCM，摻入石墨烯的NCM-Gs，摻入氧化鋁的NCM-Al2O3，和氧化鋁、石墨共摻的NCM-Al2O3&Gs材料的掃描電鏡圖片，從下圖的h和i能夠清楚的看到納米尺寸的氧化鋁顆粒已經成功的摻入了電極的活性物質層之中。從下圖的k和l能夠看到無論是Al2O3，還是Gs都能夠較為均勻的分散在電極層之內。
從下圖b的倍率性能測試結果可以看到，添加石墨烯的電極由于形成了長程、短程復合的導電網絡，電極的倍率性能相比于未添加的樣品有了明顯的提升，即便是僅添加氧化鋁的電極的倍率性能相比于對照組也由明顯的提升，這重要得益于納米尺寸的氧化鋁摻入電解液中后會在其表面負極形成快離子通道，從而促進鋰離子的擴散。
從下圖c的25℃1C循環性能圖能夠看到，常溫下經過400次循環后，純NCM，摻入石墨烯的NCM-Gs，摻入氧化鋁的NCM-Al2O3，氧化鋁、石墨共摻的NCM-Al2O3&Gs材料的容量保持率分別為90.8%，95.0%，91.5%和93.6%，當我們將電池的放電倍率提高到3C（下圖d）后，經過400次循環后的電極的容量保持率分別為73.6%，79.3%，76.2%和76.9%，摻入氧化鋁和石墨的電極循環性能有一定的提升。假如我們進一步將溫度提升至50℃，則這種差距會更為明顯（如下圖e所示）。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
下圖b為經過400次循環的四種電極的EIS圖，從圖中能夠看到含有石墨烯添加劑的電極的阻抗相對較少，而不添加任何添加劑的電池的則界面阻抗最大。
下圖為在50℃下循環400次后的正極的XPS分解結果，從圖中能夠看到添加氧化鋁、石墨烯的電極中的Ni2+含量較高，特別是氧化鋁、石墨烯混摻的電極的Ni2+含量最高，作者認為Ni2+有利于穩定晶體結構，有利于提升材料的循環性能。從O1s圖中能夠看到位于529.9eV的為晶格氧的峰，可以看到對照組的晶格氧含量要明顯的低于摻雜的NCM材料，表明電解液再普通的NCM電極表面的分解更為嚴重，出現了較多的分解產物。
在下圖中作者通過Ar離子侵蝕的方式獲得了不同深度正極界面膜的成分信息，腐蝕深度分別為0、3.24、6.48和9.72nm，從下圖可以看到在872.3eV處的Ni2p1/2特點峰隨著腐蝕深度的新增而逐漸增強，不同的是摻入氧化鋁、石墨烯的電極Ni2p1/2特點峰強度在表層就達到最大，而對照組的NCM523材料在腐蝕深度大于6.48nm時，才達到最大強度，這表明摻入氧化鋁、石墨烯的NCM523電極具有較薄的界面層。
下圖中作者對電池在放電的過程中的產熱進行了研究，在下圖b中作者展示了四種電池在5C倍率下放電至不同放電深度時電池的表面溫度分布，可以看到溫度在電池表面的分布相比較較均勻，表明電池的制備工藝較好，電池沒有明顯的制造缺陷。下圖c中展示了四種電池在放電過程中的溫度變化，在放電到100%DOD時NCM、NCM-Gs、NCM-Al2O3和NCM-Al2O3&Gs電池的表面平均溫度分別為40.8、38.1、39.7和38.6℃，表明石墨烯導電劑的加入有效的提升了NCM電極的電子電導率，減少放電過程中的極化現象，減少了電池產熱。
下圖中作者采用針刺實驗對滿電狀態電池的安全性進行了檢測，從下圖可以看到普通的NCM電池在針刺60s后電池升至最高溫度80.3℃，大約在350s后溫度降低到了46℃，而添加Al2O3&Gs電池在85s后達到最高溫度70℃，大約350s后電池降低至40℃，這表明添加Al2O3&Gs的電池不僅產熱速率更慢，電池溫升也更小，因此整體電池的熱穩定性也會更好。
YongcongHuang的工作表明在NCM523電極中加入部分的氧化鋁和石墨烯后能夠有效的減少界面副反應，減少放電過程中的產熱，提高電池的安全性。
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PathwaystowardImprovedPerformanceofNCM523PouchCellviaIncorporatingLow-CostAl2O3andGraphene,ACSAppl.EnergyMater.2020,3,10920−10930,YongcongHuang,QianLiu,LanChen,JianmingTao,GuiyingZhao,YueChen,JiaxinLi,YingbinLin,andZhigaoHuang
