Samenvatting van oppervlaktecoating op kathodematerialen

De langeafstands- en De snellaadmogelijkheden van elektrische voertuigen zijn afhankelijk van hoge prestaties lithium-ionbatterijen, waarbij kathodematerialen een van de meest cruciale zijn componenten. Kathodes zijn echter gevoelig voor scheuren tijdens het fietsen en vertonen aanhoudende nevenreacties met elektrolyten, waardoor de werking aanzienlijk wordt aangetast levensduur van de batterij en snelheidsprestaties. Oppervlaktecoating kan stress verminderen, verbeter de bevochtigbaarheid van vloeibare elektrolyten, verminder grensvlaklading overdrachtsweerstand en verminder daarbij effectief nevenreacties het optimaliseren van kathodematerialen. Niettemin is de invloed van de fysisch-chemische eigenschappen van oppervlaktecoatings op elektrochemische prestaties, evenals hun evolutie tijdens het fietsen, vergt nog verder begrip. Bovendien de optimale materialen en methoden voor oppervlaktecoating zijn niet systematisch samengevat en afgerond.

1. Vereisten voor kathode-oppervlaktecoating

De vereisten voor oppervlaktecoating zijn onder meer: ​​1) dun en uniform zijn; 2) het bezitten van ionische en elektronische geleidbaarheid; 3) met een hoog mechanisch vermogen eigenschappen en stabiel blijven na laad-/ontlaadcycli; 4) de coatingproces is eenvoudig en schaalbaar.

2. De rol van oppervlaktecoating op kathodematerialen

De rollen van oppervlaktecoating op kathodematerialen omvatten: 1) dienen als een fysieke barrière om nevenreacties te remmen; 2) HF wegvangen om te voorkomen chemische aanval door de elektrolyt en verzacht het oplossen van de overgang metalen; 3) het verbeteren van de elektronische en ionische geleidbaarheid; 4) oppervlak aanpassen chemie om grensvlakionenladingsoverdracht te vergemakkelijken; 5) het stabiliseren van de structuur en het verminderen van faseovergangsstress.

3 Coatingstructuur/morfologie

3.1 Uniforme en dunne coating
De coatinglaag moet uniform en dun zijn. Volledige dekking van de kathode deeltjes beschermen de kathode tegen elektrolytaanvallen en remmen de zijkant reacties. Bovendien verbetert een dunne coatinglaag de kinetiek ter plaatse interface, waardoor de batterijprestaties worden verbeterd.

3.2 Dikke coating
Een dikke coating vormt een goede fysieke barrière tussen de kathode en de elektrolyt. Dikkere coatings kunnen echter de diffusie van lithium belemmeren tijdens intercalatie- en deintercalatieprocessen, die mogelijk goed presteren onder bewerkingen bij hoge temperaturen.

3.3 ​​Eilandachtige/ruwe coatinglaag
Het bereiken van een uniforme en dunne coating over het gehele materiaal met behulp van droge en natte coatingprocessen zijn een uitdaging. De coatinglagen die hierdoor worden gevormd processen zijn ruw en ongelijkmatig.

4. Coatingprocessen/strategieën

4.1 Natte processen
4.1.1 Sol-gelcoating
Het sol-gel-coatingproces wordt vaak gebruikt voor het synthetiseren van kathodematerialen en oppervlaktecoating. Het gebruik van water of andere oplosmiddelen neemt echter toe kosten. Bovendien kunnen oplosmiddelen zoals water het uitlekken van lithium veroorzaken en dit veranderen de stoichiometrie van het kathodeoppervlak.

4.1.2 Hydrothermische/solvothermische coating
De coatinglagen die zijn ontwikkeld via hydrothermische/solvothermische processen zijn dat wel nanoschaal en uniform, waardoor de controle van de stoichiometrie van de coating laag. Ze zijn echter lastig te verwerken, met dure precursor zouten en lage opbrengsten.

4.2 Droge coatingprocessen
Droge coatingmethoden zijn wellicht het meest haalbaar en geschikt, maar het bereiken van a uniforme coating is een uitdaging.

4.3 Chemische processen in de dampfase
4.3.1 Chemische dampafzetting (CVD)
Chemische dampafzetting (CVD): Bij een bepaalde temperatuur ontleden de reactanten op het substraatmateriaal, waardoor het materiaal uit de damp neerslaat fase. Het belangrijkste voordeel van CVD is het vermogen om lage porositeit te produceren, uniforme en dunne coatinglagen.

4.3.2 Atoomlaagafzetting (ALD)
De coatinglaag gevormd door Atomic Layer Deposition (ALD) is van atomaire schaal dikte. Het grootste voordeel ligt in het vermogen om uniforme, hoogwaardige coatinglagen met nauwkeurige controle. Het heeft echter last van laag opbrengst, trage verwerkingstijden, hoge precursorkosten, toxiciteit en complex processen.

5. Soorten coatingmaterialen

5.1 Metaaloxiden
Metaaloxidecoatings dienen als een fysieke barrière tussen het kathodemateriaal en de elektrolyt, zonder deel te nemen aan elektrochemische reacties. De nadeel is hun slechte lithium-iongeleiding. In sommige gevallen het tarief De prestatie van kathodematerialen bedekt met metaaloxiden neemt af, veroorzaakt door verhoogde impedantie (Rct). Er zijn echter weinig berichten dat dergelijk metaal inert is oxidecoatings kunnen de ladingsoverdracht verbeteren.

5.2 Fosfaten

Fosfaatcoatings kunnen de ionentransporteigenschappen van de kathode verbeteren materialen. De slechte cyclus- en veiligheidsproblemen van nikkelrijke gelaagde oxiden belemmeren het grootschalige gebruik ervan. Oppervlaktecoating is een effectieve methode om de uitdagingen van nikkelrijke kathodes te verzachten. De Li3PO4-coating op de NCM oppervlak voorkomt direct contact tussen het NCM-kathodeoppervlak en de elektrolyt, waardoor nevenreacties en de vorming van weerstand worden geremd oppervlaktefilms.

5.3 Kathodematerialen als coatings

Kathodematerialen zijn gebruikt als coatingmaterialen voor kathodes. Over het algemeen moeten stabielere materialen op minder stabiele materialen worden gecoat verbetering van de algehele stabiliteit en prestaties van het materiaal. Het voordeel is dat ze een fysieke barrière vormen tussen de kathode en de elektrolyt, het remmen van nevenreacties en het verbeteren van de ladingsoverdrachtskinetiek, resulterend in betere elektrochemische prestaties van het kathodemateriaal. Maar dat is het wel moeilijk om uniforme en dunne coatings van kathodematerialen te bereiken. Bovendien, Er zijn hoge warmtebehandelingstemperaturen vereist om goede coatings te vormen leiden tot ontleding van het kathodemateriaal. Voor dit type coating is Er moeten optimale coatingmaterialen en omstandigheden worden geselecteerd. Bijvoorbeeld, ultradunne spinel (LiMn2O4) coating op lithiumrijke Li1.2Mn0.6Ni0.2O2 gelaagd oxide (USMLLR) verbetert de elektrochemische en thermische prestaties. Het voordeel is dat het niet alleen de hoge capaciteit van lithiumrijk gelaagd oxide garandeert materialen, maar biedt ook hoge prestaties en verbetert de lading overdracht aan het oppervlak dankzij de uitstekende Li+ geleidbaarheid van LMO.

5.4 Vaste elektrolyten en andere ionengeleiders als coatings

Vaste elektrolyten hebben een hoge ionische geleidbaarheid bij kamertemperatuur en zijn geschikt als kathodecoatinglagen, maar hun elektronische geleidbaarheid is dat wel laag. Vanwege hun hoge ionische geleidbaarheid wordt verwacht dat ze de lading verbeteren overdracht op het kathode/elektrolyt-grensvlak. Bovendien vaste elektrolyt coatings vormen een fysieke barrière en remmen nevenreacties. Coating lithium lanthaantitanaat (LLTO) op LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NCM) kan de snelheid verbeteren prestaties, toegeschreven aan de hoge ionische geleidbaarheid van de LLTO-coating laag en de remming van nevenreacties. Echter, verhoogde coating dikte kan het elektronenoverdrachtsproces tijdens het proces belemmeren opladen/ontladen.

5.5 Geleidende polymeren

Geleidende polymeercoatings kunnen uniforme dunne films vormen met hoge elektronische geleidbaarheid, waardoor de ladingsoverdracht bij de kathode/elektrolyt wordt verbeterd interface. Deze polymeren kunnen volumeveranderingen opvangen, waardoor scheurvorming wordt verminderd formatie.

5.6 Oppervlaktedoping

De oppervlaktecoatingmethode vormt een fysieke barrière op de kathode oppervlak, dat over het algemeen minder reactief is ten opzichte van de elektrolyt, waardoor het verbetert de structurele en thermische stabiliteit van het materiaal. Sinds het kristal structuur- en samenstellingsveranderingen op het grensvlak zijn vergelijkbaar, oppervlaktedoping belemmert de diffusie van Li+ niet, vermindert Rct en mechanische spanning ter plaatse interface en vermindert de kans op barsten.

6. Structuur-eigenschapcorrelatie: laagdikte en lithium-ion Verspreiding
Bepaalde oppervlaktecoatings kunnen ionendiffusie belemmeren terwijl andere coatings zorgen voordelen, terwijl sommige coatings de ionendiffusie kunnen verbeteren, maar compromissen kunnen sluiten andere eigenschappen. Het beschouwen van deze effecten als een compromis is altijd een goede zaak geweest focus van batterijonderzoek bij de adoptie van coatings. Het structurele eigendom correlatie tussen de dikte van de coating en de diffusiesnelheid van lithium-ionen coatinglaag is een effectieve methode om dit compromiscriterium te meten.