中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：鋰離子電池是目前電子設(shè)備上最為常見(jiàn)的電池種類(lèi)，隨著電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的鋰離子電池也被應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)上。不同于電子產(chǎn)品，電動(dòng)汽車(chē)對(duì)鋰離子電池的價(jià)格十分敏感，希望盡可能的降低每Wh的價(jià)格，以提高電動(dòng)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性。
而傳統(tǒng)的鈷酸鋰材料的比容量只有140mAh/g，電壓平臺(tái)為3.6-3.7V，同時(shí)由于鈷是一種戰(zhàn)略資源，因此導(dǎo)致鈷酸鋰的價(jià)格較高，種種因素共同作用導(dǎo)致鈷酸鋰難以應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)上。
為了進(jìn)一步提高電池的比能量和降低電池成本，人們開(kāi)發(fā)了容量可達(dá)300mAh/g的富鋰材料，顯著的提高了鋰離子電池的比能量，同時(shí)由于富鋰材料大量采用了價(jià)格低廉的Mn元素，使得富鋰材料的成本極大的降低。
但是富鋰材料也存在不少的問(wèn)題，首當(dāng)其沖的就是過(guò)渡金屬元素溶解的問(wèn)題，特別是Mn元素，在較高的電勢(shì)下，很容易從正極溶解，并沉積到負(fù)極上。
沉積在負(fù)極的Mn元素會(huì)進(jìn)一步的催化電解液分解，導(dǎo)致SEI膜增厚，電極阻抗增加和Li的消耗，這些因素會(huì)導(dǎo)致富鋰材料循環(huán)性能差和電壓衰降等問(wèn)題。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)的Quanxin Ma等人針對(duì)富鋰材料這些問(wèn)題進(jìn)行了摻雜改性實(shí)驗(yàn)。Quanxin Ma通過(guò)向富鋰材料中加入Se元素合成了Li1.2[Mn0.7Ni0.2Co0.1]0.8_xSexO2，實(shí)驗(yàn)表明該材料具有良好的倍率性能，在10C的倍率下，比容量可達(dá)178mAh/g，并且Se元素?fù)诫s很好的抑制了富鋰材料的電壓衰降，循環(huán)100次，中值電壓衰降僅為5%。
機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，該方法的作用機(jī)理為抑制了O2-被氧化成為O2，從而減少了材料由層狀結(jié)構(gòu)向尖晶石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而提高了材料的倍率性能和循環(huán)性能。
實(shí)驗(yàn)中Quanxin Ma首先利用共沉淀法合成了Mn、Co、Ni和Se元素的氫氧化物前驅(qū)體，然后在120℃下真空干燥24h，然后與LiOH?H2O進(jìn)行混合和球磨，然后在850℃下焙燒20h合成了具有不同的Se摻雜量的Li1.2[Mn0.7Ni0.2Co0.1]0.8_xSexO2材料。
循環(huán)伏安測(cè)試顯示，沒(méi)有摻入Se元素的富鋰材料首次充電時(shí)，在4.22V和4.6V兩個(gè)電壓附近分別出現(xiàn)了兩個(gè)氧化峰，分別對(duì)應(yīng)著Ni2+、Co3+的氧化和O2-的氧化。
在放電過(guò)程中材料在3.4-4.2V之間觀察到了一個(gè)電流峰值，這對(duì)應(yīng)著Ni4+、Mn4+和Co4+的還原峰，在循環(huán)到3到5次后，在3.3V左右出現(xiàn)了一個(gè)明顯的電流峰值，這對(duì)應(yīng)的是Mn4+在尖晶石結(jié)構(gòu)中的還原峰，表明了材料結(jié)構(gòu)從層狀結(jié)構(gòu)向尖晶石結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。
而摻入Se元素的富鋰材料，氧化還原峰之間的差值明顯的變小了，表明Li+的嵌入阻力更小。同時(shí)4.6V的氧化峰也明顯的降低，表明了Se元素的摻入減少了O2-的氧化，提高了材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
在2.5-4.6V之間，以0.1C的倍率進(jìn)行充放電測(cè)試，發(fā)現(xiàn)由于Se元素的摻雜使得材料的首次庫(kù)倫效率從67%提高到了77%。
在倍率測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，從0.1C到10C，Se摻雜的富鋰材料的可逆容量均比不摻雜的富鋰材料更高，在10C的倍率，Se摻雜為0.07、0.14和0.21的富鋰材料的比容量分別為140、175和148mAh/g，均高于不摻雜的富鋰材料的71mAh/g。
在循環(huán)測(cè)試中，Se摻雜為0.14的富鋰材料循環(huán)100次容量保持率為93%，遠(yuǎn)高于不摻雜的富鋰元素的82%。
一般認(rèn)為，富鋰材料從層狀結(jié)構(gòu)向尖晶石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是造成富鋰材料電壓衰降的主因，Se元素的加入可以穩(wěn)定富鋰材料的結(jié)構(gòu)，從而抑制富鋰材料從層狀結(jié)構(gòu)向尖晶石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，Se摻雜量為0.14的富鋰材料，循環(huán)100次，中值電壓衰降為5%，而不摻雜的富鋰材料的中值電壓衰降則為10%。
Se元素的摻雜，顯著的改善了富鋰材料的倍率和循環(huán)性能，抑制了富鋰材料在循環(huán)過(guò)程中的電壓衰降，Se元素?fù)诫s量為0.14時(shí)，效果最好。
