钜大LARGE | 点击量：458次 | 2023年01月10日
Al2O3+石墨烯掺混提升软包锂电池性能
添加剂是改善锂电池电极性能、提升电池性能的有效方法，近日，福建师范大学的YongcongHuang（第一作者）和JiaxinLi（通讯作者）、ZhigaoHuang（通讯作者）等人在NCM523电极中添加了少量的Al2O3和石墨烯，显著减少了电池大电流放电过程中的产热，降低了电池的热失控风险。
实验中采用的正负极配方如下表所示，正极活性物质未NCM523材料，活性物质涂布量为30mg/cm2，负极为石墨，涂布量为17mg/cm2，N/P比为1.1。上述电极制成规格为303450的软包锂电池，电解液为1MLiPF6，溶剂配方为EC：EMC：DMC=1：1：1。
下图分别为纯NCM，掺入石墨烯的NCM-Gs，掺入氧化铝的NCM-Al2O3，和氧化铝、石墨共掺的NCM-Al2O3&Gs材料的扫描电镜图片，从下图的h和i能够清楚的看到纳米尺寸的氧化铝颗粒已经成功的掺入了电极的活性物质层之中。从下图的k和l能够看到无论是Al2O3，还是Gs都能够较为均匀的分散在电极层之内。
从下图b的倍率性能测试结果可以看到，添加石墨烯的电极由于形成了长程、短程复合的导电网络，电极的倍率性能相比于未添加的样品有了明显的提升，即便是仅添加氧化铝的电极的倍率性能相比于对照组也由明显的提升，这重要得益于纳米尺寸的氧化铝掺入电解液中后会在其表面负极形成快离子通道，从而促进锂离子的扩散。
从下图c的25℃1C循环性能图能够看到，常温下经过400次循环后，纯NCM，掺入石墨烯的NCM-Gs，掺入氧化铝的NCM-Al2O3，氧化铝、石墨共掺的NCM-Al2O3&Gs材料的容量保持率分别为90.8%，95.0%，91.5%和93.6%，当我们将电池的放电倍率提高到3C（下图d）后，经过400次循环后的电极的容量保持率分别为73.6%，79.3%，76.2%和76.9%，掺入氧化铝和石墨的电极循环性能有一定的提升。假如我们进一步将温度提升至50℃，则这种差距会更为明显（如下图e所示）。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
下图b为经过400次循环的四种电极的EIS图，从图中能够看到含有石墨烯添加剂的电极的阻抗相对较少，而不添加任何添加剂的电池的则界面阻抗最大。
下图为在50℃下循环400次后的正极的XPS分解结果，从图中能够看到添加氧化铝、石墨烯的电极中的Ni2+含量较高，特别是氧化铝、石墨烯混掺的电极的Ni2+含量最高，作者认为Ni2+有利于稳定晶体结构，有利于提升材料的循环性能。从O1s图中能够看到位于529.9eV的为晶格氧的峰，可以看到对照组的晶格氧含量要明显的低于掺杂的NCM材料，表明电解液再普通的NCM电极表面的分解更为严重，出现了较多的分解产物。
在下图中作者通过Ar离子侵蚀的方式获得了不同深度正极界面膜的成分信息，腐蚀深度分别为0、3.24、6.48和9.72nm，从下图可以看到在872.3eV处的Ni2p1/2特点峰随着腐蚀深度的新增而逐渐增强，不同的是掺入氧化铝、石墨烯的电极Ni2p1/2特点峰强度在表层就达到最大，而对照组的NCM523材料在腐蚀深度大于6.48nm时，才达到最大强度，这表明掺入氧化铝、石墨烯的NCM523电极具有较薄的界面层。
下图中作者对电池在放电的过程中的产热进行了研究，在下图b中作者展示了四种电池在5C倍率下放电至不同放电深度时电池的表面温度分布，可以看到温度在电池表面的分布相比较较均匀，表明电池的制备工艺较好，电池没有明显的制造缺陷。下图c中展示了四种电池在放电过程中的温度变化，在放电到100%DOD时NCM、NCM-Gs、NCM-Al2O3和NCM-Al2O3&Gs电池的表面平均温度分别为40.8、38.1、39.7和38.6℃，表明石墨烯导电剂的加入有效的提升了NCM电极的电子电导率，减少放电过程中的极化现象，减少了电池产热。
下图中作者采用针刺实验对满电状态电池的安全性进行了检测，从下图可以看到普通的NCM电池在针刺60s后电池升至最高温度80.3℃，大约在350s后温度降低到了46℃，而添加Al2O3&Gs电池在85s后达到最高温度70℃，大约350s后电池降低至40℃，这表明添加Al2O3&Gs的电池不仅产热速率更慢，电池温升也更小，因此整体电池的热稳定性也会更好。
YongcongHuang的工作表明在NCM523电极中加入部分的氧化铝和石墨烯后能够有效的减少界面副反应，减少放电过程中的产热，提高电池的安全性。
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PathwaystowardImprovedPerformanceofNCM523PouchCellviaIncorporatingLow-CostAl2O3andGraphene,ACSAppl.EnergyMater.2020,3,10920−10930,YongcongHuang,QianLiu,LanChen,JianmingTao,GuiyingZhao,YueChen,JiaxinLi,YingbinLin,andZhigaoHuang
