BaTiO3包覆正極材料 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的改性研究

前言

隨著電子設(shè)備和新能源電動汽車的快速發(fā)展，對鋰離子電池能量密度提出了更高要求表面包覆作為一種有效的改性手段，通過阻隔正極材料顆粒與電解液直接接觸，改善正極材料表面的穩(wěn)定性，從而提高其在高壓下的電化學(xué)性能。BaTiO3作為一種具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電材料，其包覆層可顯著改善Li+在正極材料與電解液界面處的傳輸動力學(xué)過程，但其在高電壓下的性能改性效果仍需進(jìn)一步探究。

本研究采用BaTiO3作為包覆層，對三元正極材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2（NCM523）進(jìn)行改性，以改善其在高電壓下的電化學(xué)性能。通過溶膠凝膠法成功制備了不同BaTiO3包覆量的BT/NCM523材料，并深入分析了包覆前后材料的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能變化。

實驗部分

正極材料制備

通過溶膠凝膠法將BaTiO3包覆在NCM523表面。首先將乙酸鋇和鈦酸四丁酯分別溶解在乙酸和乙二醇甲醚中，得到兩組溶液。將NCM523加入到無水乙醇中超聲分散，隨后將兩組溶液均勻緩慢滴加到NCM523的乙醇懸濁液中，經(jīng)攪拌、加熱、干燥和研磨后，置于馬弗爐中高溫煅燒，最終獲得BT/NCM523包覆產(chǎn)物。按照相同方法，制備了不同包覆量的BT/NCM523樣品。

扣式電池制備

采用CR2025型紐扣電池進(jìn)行測試。正極由BT/NCM523、導(dǎo)電炭黑和聚偏氟乙烯（PVDF）混合制成，負(fù)極采用金屬鋰片，隔膜為Celgard2400聚丙烯微孔隔膜，電解液為HR-8315（含1 mol/L LiPF6的碳酸二甲酯和碳酸乙烯酯混合物）。電池組裝完成后靜置12 h，進(jìn)行電化學(xué)性能測試。

結(jié)果與分析

材料結(jié)構(gòu)分析

通過XRD圖譜分析，發(fā)現(xiàn)BaTiO3包覆未對NCM523的層狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯影響。隨著包覆量的增加，2wt.%和3wt.% BT/NCM523樣品中出現(xiàn)了屬于BaTiO3的（110）晶面特征峰。SEM和TEM結(jié)果表明，BaTiO3成功包覆在NCM523顆粒表面，且包覆層分布均勻。

文中附圖展示了不同包覆量BT/NCM523的SEM、TEM和HAADF-STEM圖像，以及電化學(xué)性能測試結(jié)果和阻抗譜分析圖。圖1至圖5直觀地反映了材料結(jié)構(gòu)、表面元素分布的變化。此外，表1列出了交流阻抗譜擬合結(jié)果，進(jìn)一步驗證了BaTiO3包覆層對正極材料性能的影響。

結(jié)論

本研究通過溶膠凝膠法成功制備了不同BaTiO3包覆量的BT/NCM523材料，并深入分析了其結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能。結(jié)果表明，BaTiO3包覆層能有效改善正極材料在高電壓下的界面穩(wěn)定性，促進(jìn)界面處鋰離子擴散動力學(xué)過程。當(dāng)BaTiO3包覆量為3wt.%時，BT/NCM523材料表現(xiàn)出最佳的電化學(xué)性能。本研究為改善鋰離子電池正極材料性能提供了新的思路和方法。

同樣作為包覆工藝，納米蒸氣粉體包覆技術(shù)則通過絲材電爆制粉工藝，為微米粉末賦予了納米級的獨特性質(zhì)。

納米蒸氣粉體包覆工藝

納米蒸氣粉體包覆指的是利用絲材電爆制粉工藝，在微米金屬/非金屬粉末表面包覆納米金屬粉末層，兩者間形成熔融焊接結(jié)合，從而使初始粉末獲得更加活躍的理化性能。

其原理是利用絲材電爆制備金屬納米粉的原理，同時在與金屬絲同軸且呈圓柱形的空間內(nèi)分布基體微米粉末（金屬或非金屬），使之形成含微米粉體的“氣柱”。金屬絲電爆氣化后產(chǎn)生的納米蒸氣和基體粉末碰撞，使納米金屬蒸汽在基體粉末表面冷凝，形成被納米金屬層包覆的復(fù)合微米粉。通過控制基體粉末的循環(huán)時間、金屬絲的直徑、單次電爆炸的金屬絲長度、電爆頻率，實現(xiàn)基體粉末表面金屬包覆量的控制。