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ACS Energy Lett.:LiNiO2在固態電池中的循環性能和局限性

ACS Energy Lett.:LiNiO2在固態電池中的循環性能和局限性
固態電池(SSB)被視為電化學儲能的下一個重要里程碑,可提高安全性并實現更高的能量密度。LiNiO2(LNO)長期以來一直被認為是一種很有前景的正極材料。然而,由于穩定性問題,包括對電解液成分的反應性,其商業實施變得復雜。
德國卡爾斯魯厄理工學院Yuan Ma、Torsten Brezesinski等人首次提出了一項詳細研究,該研究結合銀礦石Li6PS5Cl固態電解質(SE)和Li4Ti5O12負極,以探討顆粒堆疊SSB電池中LNO的電化學行為。
ACS Energy Lett.:LiNiO2在固態電池中的循環性能和局限性
具體而言,裸LNO在0.2 C和 45°C下循環60次后可提供105 mAh/gLNO的比放電容量,并顯示出合理的倍率性能(在1.0 C下約為60 mAh/gLNO)。然而,與基于液態電解液的鋰離子電池相比,固態環境中的LNO顯示出低得多的首次循環庫侖效率(可逆性)。
ACS Energy Lett.:LiNiO2在固態電池中的循環性能和局限性
圖1 LNO-SSB和LNO-LIB在0.2 C和 45°C下的性能
根據XRD、原位微分電化學質譜(DEMS)、XPS、EIS 和電子顯微鏡結果,作者發現容量損失是由于多個問題造成的:
(i)循環過程中LNO體積變化引起的機械降解;
(ii)產氣(尤其是高荷電狀態下的晶格氧損失)對材料特性造成不可逆的變化;
(iii)SE降解并伴隨著正極活性物質(CAM)/SE界面處鈍化副產物的積累。這些發現強調了SSB中有害副反應、氣體和化學機械過程的關鍵相關性。
鈍化層的形成被證明是性能下降的主要原因。進一步,通過用LiNbO3保護層對 CAM進行表面涂層,能夠顯著提高電池的循環性能。
這項研究表明,LNO在 SSB 應用方面具有巨大潛力,對表面化學和/或循環協議的進一步修改是提高其循環性能和穩定性的關鍵。這些發現也與其他層狀富鎳氧化物系統具有普遍相關性,并可能指導未來研究它們在SSB電池中的應用。
圖2 SSB電池中LNO CAM的結構演變
Cycling Performance and Limitations of LiNiO2 in Solid-State Batteries. ACS Energy Letters 2021. DOI: 10.1021/acsenergylett.1c01447

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