Zusammenfassung der Oberflächenbeschichtung von Kathodenmaterialien

Die Langstrecken- und Die Schnellladefähigkeit von Elektrofahrzeugen setzt eine hohe Leistung voraus Lithium-Ionen-Batterien, wobei Kathodenmaterialien eines der wichtigsten sind Komponenten. Allerdings neigen Kathoden während des Zyklierens zu Rissen und weisen Probleme auf anhaltende Nebenreaktionen mit Elektrolyten, die die Gesundheit erheblich beeinträchtigen Lebensdauer und Leistung der Batterie. Eine Oberflächenbeschichtung kann Stress abmildern, Verbessern Sie die Benetzbarkeit flüssiger Elektrolyte und verringern Sie die Grenzflächenladung Übertragen Sie den Widerstand und verringern Sie dadurch effektiv Nebenreaktionen Optimierung von Kathodenmaterialien. Dennoch ist der Einfluss der physikalisch-chemische Eigenschaften von Oberflächenbeschichtungen auf die elektrochemische Leistung, sowie deren Entwicklung während des Radfahrens, bedarf es noch weiterer Untersuchungen Verständnis. Darüber hinaus die optimalen Oberflächenbeschichtungsmaterialien und -methoden wurden nicht systematisch zusammengefasst und abgeschlossen.

1. Anforderungen an die Kathodenoberflächenbeschichtung

Zu den Anforderungen an die Oberflächenbeschichtung gehören: 1) sie muss dünn und gleichmäßig sein; 2) ionische und elektronische Leitfähigkeit besitzen; 3) mit hoher Mechanik Eigenschaften und Stabilität nach Lade-/Entladezyklen; 4) die Der Beschichtungsprozess ist einfach und skalierbar.

2. Die Rolle der Oberflächenbeschichtung auf Kathodenmaterialien

Die Oberflächenbeschichtung von Kathodenmaterialien hat unter anderem folgende Aufgaben: 1) Sie dient als physische Barriere zur Hemmung von Nebenreaktionen; 2) Abfangen von HF, um dies zu verhindern chemischer Angriff durch den Elektrolyten und mildern die Auflösung des Übergangs Metalle; 3) Verbesserung der elektronischen und ionischen Leitfähigkeit; 4) Modifizierende Oberfläche Chemie zur Erleichterung der Ionenladungsübertragung an der Grenzfläche; 5) Stabilisierung der Struktur und Reduzierung der Phasenübergangsspannung.

3 Beschichtungsstruktur/Morphologie

3.1 Gleichmäßige und dünne Beschichtung
Die Beschichtungsschicht sollte gleichmäßig und dünn sein. Vollständige Abdeckung der Kathode Partikel schützen die Kathode vor Elektrolytangriffen und hemmen die Seite Reaktionen. Darüber hinaus verbessert eine dünne Beschichtungsschicht die Kinetik Schnittstelle, Verbesserung der Batterieleistung.

3.2 Dicke Beschichtung
Eine dicke Beschichtung sorgt für eine gute physikalische Barriere zwischen der Kathode und dem Elektrolyt. Allerdings können dickere Beschichtungen die Diffusion von Lithium behindern während Interkalations- und Deinterkalationsprozessen möglicherweise eine gute Leistung erbringen unter Hochtemperaturbetrieb.

3.3 ​​Inselartige/raue Beschichtungsschicht
Erzielen einer gleichmäßigen und dünnen Beschichtung auf dem gesamten Material durch Trocken- und Nassbeschichtungsverfahren sind eine Herausforderung. Die dadurch gebildeten Beschichtungsschichten Prozesse sind rau und ungleichmäßig.

4. Beschichtungsprozesse/-strategien

4.1 Nassprozesse
4.1.1 Sol-Gel-Beschichtung
Das Sol-Gel-Beschichtungsverfahren wird üblicherweise zur Synthese von Kathodenmaterialien verwendet und Oberflächenbeschichtung. Allerdings steigt der Einsatz von Wasser oder anderen Lösungsmitteln Kosten. Darüber hinaus können Lösungsmittel wie Wasser zur Auslaugung und Veränderung von Lithium führen die Stöchiometrie der Kathodenoberfläche.

4.1.2 Hydrothermale/solvothermale Beschichtung
Die durch hydrothermale/solvothermale Prozesse entwickelten Beschichtungsschichten sind nanoskalig und einheitlich, was die Kontrolle der Stöchiometrie ermöglicht Beschichtungsschicht. Allerdings sind sie aufgrund der teuren Vorprodukte schwierig zu verarbeiten Salze und geringe Ausbeuten.

4.2 Trockenbeschichtungsverfahren
Trockenbeschichtungsmethoden mögen am praktikabelsten und geeignetsten sein, aber das Erreichen von a Eine gleichmäßige Beschichtung ist eine Herausforderung.

4.3 Chemische Prozesse in der Dampfphase
4.3.1 Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)
Chemische Gasphasenabscheidung (CVD): Bei einer bestimmten Temperatur zersetzen sich die Reaktanten auf dem Substratmaterial, wodurch sich das Material aus dem Dampf ablagert Phase. Der Hauptvorteil von CVD ist die Möglichkeit, geringporöse, gleichmäßige und dünne Beschichtungsschichten.

4.3.2 Atomlagenabscheidung (ALD)
Die durch Atomic Layer Deposition (ALD) gebildete Beschichtungsschicht ist atomar Dicke. Sein größter Vorteil liegt in der Fähigkeit, gleichmäßige, Hochwertige Beschichtungsschichten mit präziser Steuerung. Es leidet jedoch unter niedrigen Ausbeute, langsame Verarbeitungszeiten, hohe Vorläuferkosten, Toxizität und Komplexität Prozesse.

5. Arten von Beschichtungsmaterialien

5.1 Metalloxide
Metalloxidbeschichtungen dienen als physikalische Barriere zwischen dem Kathodenmaterial und dem Elektrolyten, ohne an elektrochemischen Reaktionen teilzunehmen. Der Der Nachteil ist ihre schlechte Lithium-Ionen-Leitfähigkeit. In einigen Fällen ist die Rate Die Leistung von mit Metalloxiden beschichteten Kathodenmaterialien nimmt ab, verursacht durch erhöhte Impedanz (Rct). Es gibt jedoch nur wenige Berichte über ein solches inertes Metall Oxidbeschichtungen können den Ladungstransfer verbessern.

5.2 Phosphate

Phosphatbeschichtungen können die Ionentransporteigenschaften der Kathode verbessern Materialien. Die schlechten Zyklen und Sicherheitsprobleme von nickelreichen Schichtoxiden behindern ihre großflächige Nutzung. Die Oberflächenbeschichtung ist eine wirksame Methode dazu die Herausforderungen von nickelreichen Kathoden abmildern. Die Li3PO4-Beschichtung auf dem NCM Oberfläche verhindert direkten Kontakt zwischen der NCM-Kathodenoberfläche und dem Elektrolyt, wodurch Nebenreaktionen und die Bildung von Widerständen gehemmt werden Oberflächenfilme.

5.3 Kathodenmaterialien als Beschichtungen

Kathodenmaterialien wurden als Beschichtungsmaterialien für Kathoden verwendet. Im Allgemeinen sollten stabilere Materialien auf weniger stabile Materialien aufgetragen werden Verbessern Sie die Gesamtstabilität und Leistung des Materials. Der Vorteil ist dass sie eine physikalische Barriere zwischen der Kathode und dem Elektrolyten bilden, Hemmung von Nebenreaktionen und Verbesserung der Ladungsübertragungskinetik, was zu bessere elektrochemische Leistung des Kathodenmaterials. Allerdings ist es so Es ist schwierig, gleichmäßige und dünne Beschichtungen von Kathodenmaterialien zu erzielen. Darüber hinaus, Zur Bildung guter Beschichtungen sind hohe Wärmebehandlungstemperaturen erforderlich zur Zersetzung des Kathodenmaterials führen. Für diese Art der Beschichtung Es müssen optimale Beschichtungsmaterialien und -bedingungen ausgewählt werden. Zum Beispiel, Ultradünne Spinell-Beschichtung (LiMn2O4) auf einer Lithium-reichen Li1,2Mn0,6Ni0,2O2-Schicht Oxid (USMLLR) verbessert die elektrochemische und thermische Leistung. Der Vorteil ist dass es nicht nur die hohe Kapazität des lithiumreichen Schichtoxids gewährleistet Materialien, bietet aber auch eine hohe Geschwindigkeitsleistung und verbessert gleichzeitig die Ladung Übertragung an der Oberfläche aufgrund der hervorragenden Li+-Leitfähigkeit von LMO.

5.4 Festelektrolyte und andere ionische Leiter als Beschichtungen

Feste Elektrolyte haben bei Raumtemperatur eine hohe Ionenleitfähigkeit sind als Kathodendeckschichten geeignet, ihre elektronische Leitfähigkeit ist es jedoch niedrig. Aufgrund ihrer hohen Ionenleitfähigkeit wird erwartet, dass sie die Ladung verbessern Übertragung an der Kathode/Elektrolyt-Grenzfläche. Zusätzlich Festelektrolyt Beschichtungen stellen eine physikalische Barriere dar und hemmen Nebenreaktionen. Beschichtung mit Lithium Lanthantitanat (LLTO) auf LiNi0,6Co0,2Mn0,2O2 (NCM) kann die Rate verbessern Leistung, die auf die hohe Ionenleitfähigkeit der LLTO-Beschichtung zurückzuführen ist Schicht und die Hemmung von Nebenreaktionen. Allerdings erhöhte Beschichtung Die Dicke kann den Elektronentransferprozess währenddessen hemmen Laden/Entladen.

5.5 Leitfähige Polymere

Leitfähige Polymerbeschichtungen können gleichmäßige dünne Filme mit hoher Temperatur bilden elektronische Leitfähigkeit, wodurch der Ladungstransfer an der Kathode/dem Elektrolyten verbessert wird Schnittstelle. Diese Polymere können Volumenänderungen ausgleichen und so Risse reduzieren Bildung.

5.6 Oberflächendotierung

Die Oberflächenbeschichtungsmethode bildet eine physikalische Barriere auf der Kathode Oberfläche, die im Allgemeinen weniger reaktiv gegenüber dem Elektrolyten ist, und verbessert sich dadurch die strukturelle und thermische Stabilität des Materials. Seit dem Kristall Struktur- und Zusammensetzungsänderungen an der Grenzfläche sind ähnlich, Oberflächendotierung behindert die Li+-Diffusion nicht, reduziert Rct und mechanische Spannung am Schnittstelle und verringert die Wahrscheinlichkeit von Rissen.

6. Struktur-Eigenschafts-Korrelation: Schichtdicke und Lithium-Ion Verbreitung
Bestimmte Oberflächenbeschichtungen können die Ionendiffusion behindern und gleichzeitig andere bewirken Vorteile, wohingegen einige Beschichtungen die Ionendiffusion verbessern können, aber Kompromisse eingehen andere Eigenschaften. Diese Effekte als Kompromiss zu betrachten, war schon immer ein Schwerpunkt der Batterieforschung bei der Einführung von Beschichtungen. Die Struktureigenschaft Korrelation zwischen der Beschichtungsdicke und der Lithium-Ionen-Diffusionsrate des Die Beschichtungsschicht ist eine wirksame Methode zur Messung dieses Kompromisskriteriums.