美国橡树岭国家实验室在锂金属电池正极材料上取得进展
文章信息
技术领域：锂金属电池正极材料
开发单位：美国橡树岭国家实验室，Nitin Muralidharan; Ilias Belharouak.
技术突破：作者首次成功合成了一种新型无钴层状正极材料NFA，并对其进行了材料表征和电化学性能测试。倍率和循环性能测试结果表明，当充电至4.5 V时，该材料在0.1C的比容量高达~190mAh/g，在电压窗口3 V～4.3V下循环100次后，容量保持率为88%，并在3 V～4.4 V的电压窗口下进行了C/3的电化学测试，在200次充放电循环后，锂离子电池表现出良好的循环性能，容量约为初始容量的72%。
文章名称：Nitin Muralidharan, Ilias Belharouak, et al.LiNixFeyAlzO2, a new cobalt-free layered cathode material for advanced Li-ion batteries. Journal of Power Sources, 2020.
应用价值：此种正极材料NFA有望引领下一代无钴锂离子电池。
锂离子电池是推动数字时代技术革命的重要组成部分。近年来，随着电动汽车的出现，当前电池研究的主要焦点已转向低成本电池的开发。目前的电池材料中基本均含有钴元素。钴的开采和精炼对电池行业的低成本和可持续目标是一种挑战。并且全球钴储量的迅速减少也加剧了钴供应的限制，这将逐渐开始威胁电动汽车市场的未来。另外，由于需求的增加，钴的价格在过去几年几乎增长了两倍，因此开发钴含量较低的正极材料至关重要。而目前大多数电池行业使用的NMC和NCA正极，将不是实现这些目标的最佳选择。锂-镍氧化物(LiNiO2)虽然是一个研发方向，但是LiNiO2较难合成，在电化学测试过程中结构会发生严重的变化，导致循环性能较差。锂镍锰氧化物(LNMO)，4.9 V尖晶石正极材料，是另一款将逐渐商业化的候选材料。然而，这种材料的容量较低(理论上约为147mAh/g)，需要在较高电压下且专用电解液体系下才有意义。然而，当在较高电压循环时，这些材料的容量衰减较快。
图1 NFA制备过程示意图
最近，橡树岭国家实验室报告了一种用铁代替NCA结构中的钴，从而形成一种钴含量为“零”的新型正极材料。这种新的无钴正极材料，通式为LiNixFeyAlzO2 (NFA)，在不破坏NCA结构和安全优势的情况下消除钴，同时提高容量。高镍含量(>80%)有助于提高容量，并用少量三价铝和铁代替部分镍，三价铝和铁的离子半径与Ni3+相似(Al3+离子半径为0.54 ?，Fe3+为0.55 ?，而Ni3+的离子半径为0.55 ?)将有助于结构稳定性的改善，增强安全性，并改善循环寿命。该NFA正极材料是通过共沉淀法合成的，具有良好的倍率性能和稳定的循环性能，同时具有较高的容量。(来源：清新电源；INESA 杨征 整理)
