【材料】锂电池材料：高稳定性的铝镍氧化物层状材料

近日，德克萨斯大学奥斯汀分校的Arumugam Manthiram教授研究出了一种铝掺杂的镍氧化物，这种复合材料具有极佳的稳定性，可以有效地防止镍氧化物与空气中潮湿的二氧化碳反应。该成果以“Modified High-Nickel Cathodes with Stable Surface Chemistry Against Ambient Air for Lithium-Ion Batteries” 为题发表于《德国应用化学》（DOI: 10.1002/anie.201801533）。

图1. 不同镍氧化物层状材料的表面残留锂增量
（图片来源： Angew. Chem. Int. Ed., 2018, Early View）

在制备好不同组分和含量的材料后（LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2, 71515;  LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2, 811; LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2, 90505; LiNi0.94Co0.06O2, 9406; LiNi0.92Al0.02Co0.06O2, Al-9406），作者通过化学滴定、飞行时间二次离子质谱法、电感耦合等离子体原子发射光谱及X射线光电子能谱等手段对所制备的材料进行了表征以确定其确切的结构。之后，作者研究了不同材料对空气中二氧化碳和水的反应活性（图1），结果表明，对于相同组分的复合材料，不论是新制备的材料还是在空气中暴露30天后的材料，其表面残留锂含量都会随着镍含量的增加而升高（71715，811，90505）；没有铝掺杂的镍锂钴氧化物（9406）则表现出最高的表面残留锂含量并且其化学活性也最高，而相同元素组成的铝掺杂镍锂钴氧化物（Al-9406）则表现出了最低的表面残留锂含量及最高的稳定性。

图2. 掺杂铝前后镍氧化物层状材料的表明形态及组成

（图片来源： Angew. Chem. Int. Ed., 2018, Early View）

随后，通过对比分析掺杂铝前后复合材料的表面镍化物的构成及理论计算（图2），作者发现镍氧化物稳定性的提升是因为材料中的Al-O键。因为铝的修饰会提高氧的结合能，这会在一定程度上阻止氧元素从化合物中脱离，从而阻碍镍氧化物层状材料中的镍与空气中的水和二氧化碳反应。最后，作者将镍氧化物层状材料制成了锂电池阴极并研究了铝的引入对电极材料电化学性能的影响。结果表明，当制备成电极材料后，铝的引入同样保留了其增加镍氧化物化学稳定性的能力，通过对比两者在30天后的容量发现，铝掺杂的电极经过30天的循环使用后容量保持率为88%，而没有铝掺杂的电极经过30天的循环使用后丧失了约79%的初始容量。

图3. 铝掺杂对镍氧化物层状材料电极性能的影响

（图片来源： Angew. Chem. Int. Ed., 2018, Early View）

全文作者：Ya You, Hugo Celio, Jianyu Li, Andrei Dolocan, and Arumugam Manthiram

原文来自http://www.chembeango.com/news/art?id=19965