正极材料Li[NixCoyMnz]O2的热稳定性

朱振东,代 娟,彭 文,吴欢欢

(合肥国轩高科动力能源有限公司,安徽合肥 230012)

锂离子电池在电动汽车领域的应用逐渐广泛,需要进一步提高电池的能量密度。三元材料Li[NixCoyMnz]O2(NCM)的能量密度较高,是当前常用的正极材料之一,但在能量密度提高的同时,也会给电池带来安全隐患。影响锂离子电池安全性能的众多因素中,电极材料的热稳定性是基础因素之一。与磷酸铁锂相比,三元材料的热稳定性较差,且热稳定性随着镍含量的增加而降低。正极材料差示扫描量热法(DSC)数据的分析结果表明,LiFePO4的起始放热温度高达218℃,放热量仅为295 J/g,表现最为稳定;层状LiCoO2在168℃开始放热反应,放热量为1 050 J/g;LiNiO2在184℃开始放热,放热量为1 600 J/g;Li-Ni-Co-Mn-O在146℃开始放热,放热量为855 J/g。起始反应温度和放热量,都导致三元材料在大型化应用中受到限制[1]。此外,三元正极材料分解释放出的活性氧(如)[2-3]会与电解液中的有机溶剂发生反应,甚至燃烧,最终导致电解液燃烧耗尽及电池热失控。

为解决大功率锂离子电池的使用安全性问题,需要分析正极材料的热稳定性及热失控机理,以寻求提高正极材料热稳定性的措施。本文作者结合热重分析、差热分析和XRD分析等手段,研究常用三元正极材料Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2(NCM622)、Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2(NCM811)在不同电压下受热分解的结构及成分变化,并对两者热稳定性差异的机理进行讨论。

1 实验

1.1 电池组装

将LiPF6(广州产,99%)溶解在体积比1∶1∶1的碳酸乙烯酯(EC,广州产,99%)、碳酸二乙酯(DEC,广州产,99%)和碳酸甲乙酯(EMC,广州产,99.5%)组成的混合溶剂中,配制成浓度为1 mol/L的电解液。……