姜懿峰博士综述：基于表面包覆对锂离子电池正极材料改性的最新进展

来源：研之成理

DOI: 10.1016/j.jechem.2019.08.022

锂离子电池因其具有高比容量，长循环寿命，稳定的工作电压和较小的自放电特性，因此被认为是本世纪最有希望的新一代能源之一。其中正极在当前的锂离子电池中起重要作用，因为它是系统中的主要锂离子供体并且是锂离子电池容量的决定性因素而严重影响电池成本。因此，开发具有安全，价格合理，高性能，高容量等优点的正极材料将有效地促进锂离子电池的广泛应用。

目前，商业正极材料（例如磷酸铁锂和三元锂等）的放电比容量通常低200 mAh/g，成为需求增加的瓶颈。为了克服这些障碍，已经报道了通过掺杂和表面涂覆对正极材料进行的多种修饰可以增强其电化学性能。

In consideration of the importance of surface coating modification, plenty of research has been conducted on the modification of cathode materials by surface coating with a variety of coating materials and coating technologies. This article is to review the timely research work focuses on the modification of cathode materials for lithium-ion batteries by surface coating.

近期，新南威尔士大学材料科学与工程学院姜懿峰博士等总结了基于通过对正极材料进行表面包覆，从而达到有效提高锂离子电池的工作性能的内在原理，探讨了不同包覆技术与包覆材料对锂离子电池正极材料性能的影响。该综述系统概述了锂离子电池正极材料的发展趋势，并详细讨论了不同正极材料的晶体结构及其对应的电化学特征。文章还简述了各种材料的异同优劣以及当前所面对的问题。

该论文“Recent progress of surface coating on cathode materials for high-performance lithium-ion batteries” 发表在Journal of Energy Chemistry 期刊上。

目前, 常用的锂离子电池正极材料有钴酸锂、三元锂、尖晶石型锰酸锂、磷酸铁锂等。在这些材料中拥有层状结构的前两者具有开路电压高、比能量高、循环性能好、生产工艺简单等优点, 在当今的市场中占有主导地位, 但是钴元素有毒易污染环境而且价格昂贵。尖晶石型锰酸锂具有能够利于锂离子迁移的三维网络结构, 有利于锂离子的脱嵌, 其安全性远高于层状结构的钴酸锂, 且成本易得无污染, 是目前正极材料研究的重点之一。但由于电解液中存在的HF导致锰的溶解和充放电过程中材料本身易发生不可逆的晶格畸变导致其在常温下, 尤其是较高温度下容量骤减。磷酸铁锂的理论比容量较高, 结构稳定性和热稳定性高, 常用作新型电动汽车的能源中, 但材料本身导电性差，极大的限制了基于此种材料在电池中的应用。

图1. Crystal structure of (a) layered LiMO2, (b) Spinel-structured LiM2O4, and polyanionic (c) LiMPO4, (d) LiMPO4F, (e) LiMBO3, (F) Li2MSiO4.

 不同的正极材料有着不同的电化学性质, 有着不同的优点和不足之处。为了改善锂离子电池的电化学性能, 以满足它们的应用要求, 人们进行了大量的实验研究, 其中表面包覆是一种十分有效的方法。

表面包覆是对正极材料的表面进行物理或化学处理, 使正极材料和电解液隔离开来, 防止正极材料与电解液直接接触从而产生不良的相互反应, 进而提高正极材料的分散性、热稳定性和放电倍率特性等电化学性能。

图2.  Schematic of the coating structure of cathode materials (a) single-layered coating, (b) composite coating. 

若想通过表面包覆来改善正极材料的物理与电化学性质, 就要选择合适的材料及合适的包覆手段, 理想的包覆材料应当能有效地阻止正极活性物质与电解液之间的直接接触, 防止二者之间的恶性作用, 同时要保护正极材料的结构, 避免活性材料在充放电过程中的晶格被破坏。

总之, 正极材料表面包覆的材料和方法是多种多样的, 我们需要针对正极材料的性能和特点来选择合适的材料与方法。现阶段, 寻找成本低廉、性能卓越的正极包覆新材料仍然是我们的研究重点。同时, 正极材料包覆机理的研究还不成熟, 需要我们进一步的深入研究。

文章信息

J Energy Chem

Recent progress of surface coating on cathode materials for high-performance lithium-ion batteries

Peiyuan Guan, Lu Zhou, Zhenlu Yu, Yuandong Sun, Yunjian Liu*, Feixiang Wu*, Yifeng Jiang*, Dewei Chu

Journal of Energy Chemistry, 43, 220-235 (2020) 

DOI: 10.1016/j.jechem.2019.08.022

姜懿峰

澳大利亚西南威尔士大学材料科学与工程博士

现任新南威尔士大学材料科学与工程博士后研究员，主要从事太阳热储热材料与锂离子电池相关研究工作。