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反鈣鈦礦結構正極 成本降低95%

發布日期:2017-07-17  來源:能源學人

核心提示:近日,德國馬克斯-普朗克固體化學物理研究所Martin Valldor等人利用一步固相反應首次合成了一種新型陽離子空穴有序排列的高純正
        近日,德國馬克斯-普朗克固體化學物理研究所Martin Valldor等人利用一步固相反應首次合成了一種新型陽離子空穴有序排列的高純正極材料-反鈣鈦礦結構(Li2Fe)ChO (Ch = S, Se)。

其中,Li和Fe任意排列但在原子晶格中共享相同的位置,(Li,Fe)和Ch一起構成了緊密堆積的立方體,O2−占據八面體空穴位置。充放電過程中,Li+以三維路徑進行遷移。這種材料與商業化的LiCoO2相比,成本可以降低95%。

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圖1. (a) (Li2Fe)SO的同步輻射X射線衍射圖譜,(Li2Fe)SeO (b)和(Li2Fe)TeO(c)的粉末照相X射線衍射圖譜。

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圖2.立方體反鈣鈦礦結果(Li2Fe)ChO (Ch= S, Se)的晶體結構示意圖。

(Li2Fe)ChO(Ch = S, Se)具有良好的熱穩定性。當加熱到1000℃,(Li2Fe)SeO未發生相變;即使到1250℃,熔融再結晶后的(Li2Fe)SeO也僅僅只有微量雜相產生。類似的情況同樣發生在(Li2Fe)SO上。雖然這些材料“不懼”高溫,但是卻怕水和氧。在濕空氣中,(Li2Fe)SeO 會發生如下反應:

(Li2Fe)SeO+ 3x/2 H2O + x/4 O2 →(Li2−xFe)SeO + x Li(OH)(H2O)

(Li2Fe)SO則更為嚴重。因此,這種材料制備過程中必須盡量隔絕水和氧才能提高產率,防止結構的破壞。

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圖3.在氬氣氛圍中,(Li2Fe)SeO的差熱分析和熱重分析圖。

當(Li2Fe)SeO作為鋰離子電池正極材料,石墨作為對電極時,充電反應如下:

(Li2Fe)SeO+ nC(石墨) → (Li2-xFe)SeO+LixCn

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圖4.(Li2Fe)SeO-石墨電池的十次充放電曲線。

如果上述公式中x=1,則1mol的(Li2Fe)SeO會脫出1mol的Li,產物為(LiFe)SeO。根據公式計算得出(Li2Fe)SeO 的理論比容量為162.8mAh/g;基于相同的計算,(Li2Fe)SO的理論比容量為227 mAh/g。

實際測試過程中,在30 mA/g(0.25C)的倍率條件下,(Li2Fe)SeO的實際比容量為120 mAh/g,是其理論容量的3/4。值得注意的是,這種材料的體積在脫鋰后并未發生明顯變化,晶格應力可忽略。

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圖5.Li+在橄欖石型LiFePO4,銅鐵礦型LiCoO2,尖晶石型Li2Mn2O4,反鈣鈦礦型(Li2Fe)ChO(Ch = S, Se)以及具有Li分離位置的反鈣鈦礦型(Li2Fe)SeO中的遷移路徑。

基于以上反鈣鈦礦材料的研究,通過改變(Li□Fe)ChO (□ = vacancy, Ch = S, Se)中空穴含量和Ch元素種類,有可能得到無明顯應力變化的更高容正極材料,以突破正極材料容量低、循環穩定性差的瓶頸。

另外,作者在文中還提到這種材料用在全固態電池中極具優勢,這也是值得去探究的。不過該材料的電位平臺與其他正極材料相比較低,是需要去進一步改善的地方之一。


 
關鍵詞: 正極材料
 
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