鋰離子電池發(fā)展到今天，在正負(fù)極材料的持續(xù)升級(jí)和電池結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化的作用下，電池的比能量已經(jīng)有了非常大的提升，目前在高鎳三元正極/硅碳負(fù)極的加持下，鋰離子電池的比能量已經(jīng)達(dá)到300Wh/kg左右，初步實(shí)現(xiàn)了2020年目標(biāo)。然而300Wh/kg的比能量幾乎是現(xiàn)有體系的極限值了，繼續(xù)提升比能量只能更換新的材料體系，從目前的技術(shù)發(fā)展來(lái)看，正極最有可能的選擇是富鋰材料，負(fù)極方面主要是金屬鋰i。

 

       富鋰材料的比容量可達(dá)250mAh/g以上，遠(yuǎn)高于目前的三元材料，能夠?qū)崿F(xiàn)400Wh/kg比能量的目標(biāo)，然而富鋰材料在循環(huán)過(guò)程中面臨著持續(xù)的電壓平臺(tái)衰降，這不僅僅會(huì)造成電池比能量的降低，還會(huì)影響電池管理系統(tǒng)BMS的正常運(yùn)行。在早期的研究中一般認(rèn)為富鋰材料的電壓平臺(tái)衰降主要是因?yàn)椴牧蠌膶訝罱Y(jié)構(gòu)到尖晶石結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，但是最近布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Enyuan Hu(第一作者)和Xiqian Yu(通訊作者)等人通過(guò)先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)中富鋰材料中的過(guò)渡金屬元素的價(jià)態(tài)持續(xù)降低，例如鈷元素的從最初的Co3+/4+轉(zhuǎn)變?yōu)?Co2+/3+，錳元素也轉(zhuǎn)變?yōu)镸n3+/Mn4+，這些轉(zhuǎn)變直接導(dǎo)致了富鋰材料電壓平臺(tái)的持續(xù)衰降，同時(shí)循環(huán)過(guò)程中的氧損失會(huì)引起結(jié)構(gòu)缺陷，并在富鋰材料顆粒內(nèi)部形成非常大的孔，這會(huì)進(jìn)一步降低富鋰材料的電壓平臺(tái)。作者認(rèn)為富鋰表面涂層和改性，能夠有效的減少氧的釋放，從而抑制富鋰材料循環(huán)過(guò)程中的電壓衰降。

 

       試驗(yàn)中Enyuan Hu采用了典型的富鋰材料Li1.2Ni0.15Co0.1Mn0.55O2作為研究對(duì)象，該材料循環(huán)不同周期后充放電曲線和dQ/dV曲線如下圖所示，從圖中能夠明顯的看到隨著循環(huán)次數(shù)的增加，富鋰材料的電壓平臺(tái)呈現(xiàn)出了明顯的衰降趨勢(shì)。
 

 

      為了分析富鋰材料在循環(huán)中電壓衰降的機(jī)理，Enyuan Hu利用XAS工具分析了富鋰材料在第1、25、46、83次循環(huán)后，材料中的Ni、Co、Mn和O元素的價(jià)態(tài)的變化趨勢(shì)(如下圖所示)，從圖中能夠看到Ni、Co、Mn三種過(guò)渡金屬元素的價(jià)態(tài)隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)了明顯的下降趨勢(shì)。氧原子的變化主要發(fā)生在邊前區(qū)域，從下圖中能夠注意到隨著循環(huán)次數(shù)的增加，氧原子的邊前峰強(qiáng)度呈現(xiàn)了明顯的減弱趨勢(shì)，這表明體相中的過(guò)渡金屬元素與氧元素之間的鍵能降低。