物理化学学报 >> 2022, Vol. 38 >> Issue (5): 2007017.doi: 10.3866/PKU.WHXB202007017
吴锋1,2, 李晴1,2,3, 陈来1,2,*(), 王紫润1, 陈刚1,2, 包丽颖1, 卢赟1,2, 陈实1, 苏岳锋1,2,*()
收稿日期:
2020-07-06
录用日期:
2020-08-18
发布日期:
2020-08-24
通讯作者:
陈来,苏岳锋
E-mail:chenlai144@sina.com;suyuefeng@bit.edu.cn
作者简介:
第一联系人:† These authors contribute equally to this work.
基金资助:
Feng Wu1,2, Qing Li1,2,3, Lai Chen1,2,*(), Zirun Wang1, Gang Chen1,2, Liying Bao1, Yun Lu1,2, Shi Chen1, Yuefeng Su1,2,*()
Received:
2020-07-06
Accepted:
2020-08-18
Published:
2020-08-24
Contact:
Lai Chen,Yuefeng Su
E-mail:chenlai144@sina.com;suyuefeng@bit.edu.cn
About author:
Email: suyuefeng@bit.edu.cn (Y.S.)Supported by:
摘要:
高镍三元正极材料LiNixMnyCo1-x-yO2 (x > 0.8)因其高能量密度而备受瞩目。在高镍三元正极材料中,Co不但有助于增强层状正极材料结构稳定性,而且能够提高正极材料导电性能,因此被认为是一种非常重要的元素。但是由于目前全球范围内钴矿资源紧缺,在一定程度上限制了含钴正极材料在新能源电动汽车领域的发展应用。基于此,本文将不同的过渡金属离子掺杂到高镍层状材料中形成无钴化正极材料,并进行高镍正极材料无钴化的可行性分析。通过实验对比发现,资源存储量丰富并且价格低廉的Zr在一定程度上可以取代Co元素,得到的正极材料LiNi0.85Mn0.1Zr0.05O2表现出良好的电化学性能,在0.2C倍率以及2.75–4.3 V的截止电压范围内,其放电比容量为179.9 mAh·g-1,80周容量保持率为96.52%。
吴锋, 李晴, 陈来, 王紫润, 陈刚, 包丽颖, 卢赟, 陈实, 苏岳锋. 高镍正极材料中钴元素的替代方案及其合成工艺优化[J]. 物理化学学报, 2022, 38(5), 2007017. doi: 10.3866/PKU.WHXB202007017
Feng Wu, Qing Li, Lai Chen, Zirun Wang, Gang Chen, Liying Bao, Yun Lu, Shi Chen, Yuefeng Su. An Optimized Synthetic Process for the Substitution of Cobalt in Nickel-Rich Cathode Materials[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38(5), 2007017. doi: 10.3866/PKU.WHXB202007017
表1
样品合成条件列表"
Chemical formula | Abbreviation | Precursor | Synthetic method | pH | Lithium salt | |
The feasibility analysis of substituting Co with Cr, Cd | LiNi0.8Mn0.1Cr0.1O2 | Cr811 | Cr-(OH)2 | Hydroxide coprecipitation | 11 | LiOH·H2O |
LiNi0.8Mn0.1Cd0.1O2 | Cd811 | Cd-(OH)2 | ||||
LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 | Co811 | Co-(OH)2 | ||||
The feasibility analysis and synthetic process optimization of substituting Co with Zr in Ni-rich cathode | LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 | Co-LiOH | Co-CO3 | Carbonate coprecipitation | 7.8 | LiOH·H2O |
LiNi0.8Mn0.1Zr0.1O2 | Zr-LiOH-7.6 | Zr-CO3 | 7.6 | LiOH·H2O | ||
Zr-LiOH | 7.8 | |||||
Zr-LiOH-8.0 | 8.0 | |||||
Zr-LiOH-8.2 | 8.2 | |||||
LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 | Co-LiOH/Li2CO3 | Co-CO3 | Carbonate coprecipitation | 7.8 | LiOH·H2O + Li2CO3 | |
LiNi0.8Mn0.1Zr0.1O2 | Zr-LiOH/Li2CO3-7.6 | Zr-CO3 | 7.6 | LiOH·H2O + Li2CO3 | ||
Zr-LiOH/Li2CO3 | 7.8 | |||||
Zr-LiOH/Li2CO3-8.0 | 8.0 | |||||
Zr-LiOH/Li2CO3-8.2 | 8.2 | |||||
The verification of substituting Co with Zr in Ni-rich cathode | LiNi0.85Mn0.1Co0.05O2 | Co8555-LiOH | Ni0.85Mn0.1Co0.05CO3 | Carbonate coprecipitation | 7.8 | LiOH·H2O |
LiNi0.85Mn0.1Zr0.05O2 | Zr8555-LiOH | Ni0.85Mn0.1Zr0.05CO3 | ||||
LiNi0.85Mn0.1Co0.05O2 | Co8555-LiOH/Li2CO3 | Ni0.85Mn0.1Co0.05CO3 | LiOH·H2O + Li2CO3 | |||
LiNi0.85Mn0.1Zr0.05O2 | Zr8555-LiOH/Li2CO3 | Ni0.85Mn0.1Zr0.05CO3 |
表2
Co-LiOH,Zr-LiOH,Co-LiOH/Li2CO3和Zr-LiOH/Li2CO3的电化学性能表"
Samples | The initial discharge capacity at 0.2C (coulombic efficiency) | The highest discharge capacity (mAh·g-1) | 100th discharge capacity at 0.2C (mAh·g-1) | 100th capacity retention at 0.2C | Discharge capacity at 10C (mAh·g-1) | The initial discharge capacity at 1C (mAh·g-1) | 80th capacity retention at 1C |
Co-LiOH | 157.5 (79.9%) | 165 | 151.4 | 86.1% | 121.6 | 147.8 | 91.14% |
Zr-LiOH | 145.8 (78.7%) | 145.8 | 126.9 | 87.04% | 48.6 | 126.8 | 90.46% |
Co-LiOH/Li2CO3 | 190 (82.7%) | 192.8 | 178.3 | 93.84% | 140.8 | 174.2 | 92.31% |
Zr-LiOH/Li2CO3 | 170.8 (80.1%) | 170.8 | 153.4 | 89.81% | 57.8 | 154.6 | 92.24% |
表3
在不同pH值条件下合成的Zr4+掺杂的无钴高镍正极材料的电化学性能"
Samples | The initial discharge capacity (mAh·g?1) (coulombic efficiency) | The highest discharge capacity (mAh·g?1) | 70th discharge capacity (mAh·g?1) | 70th capacity retention |
Zr-LiOH-7.6 | 151.6 (74.1%) | 154.2 | 114.8 | 74.45% |
Zr-LiOH | 145.8 (78.7%) | 145.8 | 135.2 | 92.73% |
Zr-LiOH-8.0 | 149.9 (75.3%) | 152.8 | 94.3 | 61.71% |
Zr-LiOH-8.2 | 116 (67.6%) | 134.6 | 118.8 | 88.26% |
Zr-LiOH/Li2CO3-7.6 | 157.7 (68.7%) | 160.3 | 138.8 | 86.59% |
Zr-LiOH/Li2CO3 | 170.8 (80.1%) | 171 | 154.9 | 90.58% |
Zr-LiOH/Li2CO3-8.0 | 164.6 (77.1%) | 166.5 | 128.8 | 77.36% |
Zr-LiOH/Li2CO3-8.2 | 108.1 (51.3%) | 140.6 | 140.6 | 100% |
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