华中科技大学谢佳，李书萍Nano Letters观点：通过低迂曲度设计增强LiCoO2过渡相在厚电极下的可逆性- 大数跨境

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华中科技大学谢佳，李书萍Nano Letters观点：通过低迂曲度设计增强LiCoO2过渡相在厚电极下的可逆性

科学材料站

2022-03-26

导读：本文通过冰模板法制备了具有低迂曲度的LiCoO2正极(low tortuous LiCoO2)

文章信息

通过低迂曲度设计增强LiCoO₂过渡相在厚电极下的可逆性

第一作者：何仁杰

通讯作者：谢佳*，李书萍*

单位：华中科技大学

研究背景

由于LiCoO₂的易加工性以及前所未有的体积能量密度特点，使得LiCoO₂正极在3C数码产品领域占据主导地位。更加轻量化、耐久性的3C产品的发展，迫使需要进一步提升LiCoO₂电池能量密度。增加电极厚度和提升工作电压是有效提升能量密度的方式。

然而，LiCoO₂正极在厚电极下的浓差极化问题和高工作电压下产生的不可逆相会恶化电池的循环性能。通常涂层和原子掺杂被用来稳定LiCoO₂正极界面和提高相变可逆性。但是上述方式在厚电极和高工作电压的效果并不明显。

文章简介

基于此，华中科技大学谢佳老师课题组通过冰模板法制备了具有低迂曲度的LiCoO₂正极(low tortuous LiCoO₂)。低迂曲度的LiCoO₂正极具有更快的电化学动力学和更小的浓差极化，最终显示出优异的倍率性能和稳定的工作电压。LCO-LT厚电极在O₂和H1−3相之间显示出稳定的过渡相，有效缓解了体积膨胀和抑制了微裂纹的产生。

LCO-LT电极(25 mg cm^-2)在4.3 V的截止电压中，循环200圈后容量保持率达94.4%，5 C的电流密度下具有58.2 mAh/g的比容量。研究提供了一种通过低迂曲度设计增强LiCoO₂正极在厚电极下过渡相可逆性的新概念。

内容表述

XRD精修证明LiCoO₂是一个高度有序的六方α-NaFeO₂结构。SEM测试表明LiCoO₂ 的不规则形状，具有制备高压实密度电极的潜力。LCO-LT具有冰模板垂直生长时的纵向通道特征，锂离子的传输路径被显著缩短。

图1. LCO-LT材料的结构形貌表征

图2主要研究了低迂曲度和高迂曲度在不同负载下的电化学性能。结果表明LCO-LT电极在厚负载(25 mg cm^-2)下具有更好的循环性能和倍率性能。甚至在60 mg cm^-2的负载下也具有优异的循环稳定性。

图2. LCO-LT和LCO-HT电极在4.3 V下的电化学性能。

图3表明在充电和放电过程中LCO-LT均具有更小更平稳的过电位。LCO-HT由于过高的过电位导致了较差的循环稳定性。dQ/dV曲线和相应的XRD精修结果表明LiCoO₂正极在低迂曲度下具有更好的过渡相( O₂相与H1−3相之间)可逆性，并且有效缓解了点阵应变和阻碍了微裂纹的性能。

图3. LCO-LT和LCO-HT电极在4.3 V下的反应动力学和相变可逆性分析。

XRD精修结果表明LCO-HT电极的相变是不可逆的，长循环下会有微裂纹产生，恶化电化学稳定性。dQ/dV^-1表明LCO-LT具有更好的相变可逆性和循环稳定性。

图4. LCO-LT和LCO-HT电极在4.5 V截止电压下的相变可逆性分析。

文章结论

在该工作中，通过冰模板法制备的低迂曲度LiCoO₂正极在4.3 V和4.5 V的高截止电压下，均表现出较好的相变可逆性和倍率性能。在4.5 V截止电压下，LCO-LT电极(25 mg cm^-2)在循环150圈后展示164.5 mAh/g的放电比容量。低迂曲度设计使得LiCoO₂正极具备均匀的工作电压、过渡相高可逆性和优异电化学性能的特点。

文章链接

Enhancing the Reversibility of Lithium Cobalt Oxide Phase Transition in Thick Electrode via Low Tortuosity Design

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c00123

通讯作者简介

谢佳教授

华中科技大学电气与电子工程学院教授、博士生导师，国家级青年人才项目入选者，国家重点基础研究计划（973计划青年科学家专题）首席科学家，新型电机与特种电磁装备教育部工程中心副主任，IEEE PES储能材料与器件技术分委会常务理事，英国皇家化学学会会士(RSC Fellow). 2002年和2008年分别在北京大学和斯坦福大学获化学学士和博士学位，曾任美国陶氏化学资深研究员、合肥国轩高科研究院院长。

主要从事先进电化学储能技术研究，主持科技部储能电池领域青年973项目（优秀结题）、国家自然科学基金委智能联网联合基金重点项目和面上项目等多个国家级项目。在Nat. Commun.、Energy & Environ. Sci.，Advanced Energy Materials等国际权威期刊发表SCI论文100余篇，获授权专利 60余项，其中发明专利35项。

李书萍：华中科技大学电气与电子工程学院博士后