简述提升动力电池富锂材料循环性能和倍率性能的材料

锂离子电池从诞生到现在，能量密度已经得到了极大的提升，从最初的几十瓦时/公斤，发展到如今的200Wh/kg以上，锂离子电池的每一次能量密度的提升都离不开材料技术进步的支持。

而今天随着电子技术的快速发展和电动汽车的迅速普及，对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求，传统的LiCoO2已经无法适应现在高比能锂离子电池的需求，取而代之的是刚刚兴起的三元材料NMC和NCA材料。

三元材料特别是NMC材料容量可达200mAh/g左右，远高于LiCoO2材料，是一种十分具有潜力的新一代锂离子电池正极材料，但是锂离子电池的技术不断发展，三元材料NMC也无法满足进一步提升锂离子电池能量密度的需求，因此人们提出了具有固溶体结构的富锂材料。

相比于三元材料，富锂材料的比容量可以达到300mAh/g，容量提升超过50%，电压可达4.8V，远高于NMC材料，同时富锂材料采用了较多的成本较低的Mn元素，使得富锂材料的成本远低于NMC材料和NCA材料，是一种具有巨大潜力的下一代正极材料，可以帮助锂离子电池向着比能量300Wh/kg发起挑战。

虽然富锂材料具有这么多优点，但是富锂材料距离实际应用还有两大障碍需要克服，首先是富锂材料的循环性能较差，随着循环的进行容量快速衰降，循环寿命一般不超过300次，其次在循环过程中，富锂材料的放电平台电压会逐渐下降，造成富锂材料的能量密度下降。

相关的研究显示，造成这一现象的主要原因是富锂材料在较高的电势下，界面不稳定造成电解液氧化分解和过渡金属元素溶解等问题，以及在嵌锂和脱锂的过程中富锂材料发生不可逆的相变造成。

表面改性处理被认为是最为有效的处理方法，通过有效的表面包覆，可以显著的提高富锂材料的电解液界面的稳定性，抑制副反应的发生，改善循环性能。例如AlF3、Al2O3等都可以用于富锂材料的表面改性处理，但是传统的表面包覆材料虽然能够提高富锂材料的循环性能，却会造成可逆容量降低和倍率性能下降。

为了解决上述表面包覆材料存在的问题，哈尔滨工业大学的ChengChen提出了一种氧缺位包覆技术，例如他们将氧缺位纳米SnO2材料涂包覆在富锂材料Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2颗粒的表面，显著的提高了富锂材料的倍率性能和循环稳定性，并且首次发现了SnO2的氧缺位能够提高富锂材料的初始容量，为富锂材料的表面改性处理提供了一个新的思路。

实验中纳米SnO2的添加量为1%左右，纳米SnO2的平均粒径在4.35nm左右，包覆层的厚度在4-8nm之间。在电化学测试中由于O损失，导致未包覆的富锂材料的首次放电容量仅为226.4mAh/g，而纳米SnO2包覆的富锂材料的首次放电容量则为264.6mAh/g，提高了38.2mAh/g。

倍率测试也发现，纳米SnO2包覆也能够有效的提升富锂材料的倍率性能。在2.0-4.8V之间，1C的倍率下，环境温度为25℃进行循环性能测试，循环200次，没有经过包覆的富锂材料容量为144.8mAh/g，容量保持率为78.5%，而经过包覆处理的富锂材料剩余容量则为179.2mAh/g，容量保持率为89.9%。

纳米SnO2包覆对高温循环的提升更加明显，也显著的抑制了富锂材料的电压衰降，这主要得益于纳米SnO2包覆层显著的提高了富锂材料的界面稳定性，减少了副反应的发生。

纳米SnO2包覆层，不仅显著的改善了富锂材料的循环性能和倍率性能，抑制了在循环过程中的电压衰降，还通过减少O损失，提升了富锂材料的首次放电容量，为富锂材料的表面包覆处理提供了一个新的思路。