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科技的發(fā)展對電池的能量密度提出了較高的要求。鋰離子電池在較寬電化學(xué)窗口下工作是一個提高能量密度的有效方法。減小截止電壓的限制，雖然電池可以提供更高的能量密度、比容量和電壓輸出，但是這會對電池的熱力學(xué)和動力學(xué)穩(wěn)定性帶來挑戰(zhàn)。對于層狀鋰過渡金屬氧化物尤其如此，當(dāng)施加更寬的電化學(xué)窗口時，電池容量得到改善，但是穩(wěn)定性受到影響。近日，崔屹研究團(tuán)隊通過原子層沉積法研發(fā)一種LiAlF4固體薄膜，這種薄膜具有離子傳導(dǎo)性和熱力學(xué)、動力學(xué)穩(wěn)定性，以及極好的電化學(xué)穩(wěn)定性，克服了上述問題。
圖1. （a-c）具有不同ALD循環(huán)數(shù)的LiF，AlF3和LiAlF4膜的厚度表征。（d-f）在硅晶片上原子沉積 LiF，AlF3和LiAlF4膜的俯視SEM圖像。嵌入圖像是硅晶片上LiF，AlF3和LiAlF4膜的側(cè)視圖。
作者將LiAlF4薄膜直接沉積在極片上，而不是在每個顆粒表面。滿足了在寬電化學(xué)窗口下工作的要求。作者研究了在2.75-4.50V下，高Ni含量LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（NMC-811）上沉積的涂層效果。在室溫下，具有LiAlF4涂層的NMC-811電極在300次循環(huán)后維持高于140mAh/g的容量（超過300次循環(huán)衰減24%，每循環(huán)0.08％）。對于原始的NMC-811，113次循環(huán)后容量下降到低于140mAh/g（在113個循環(huán)中衰減29%，每個循環(huán)為0.26％）。由于高溫下的循環(huán)穩(wěn)定性差是高Ni含量層狀鋰金屬氧化物最為顯著的缺點(diǎn)。因此，作者對樣品進(jìn)行了高溫環(huán)境（50℃）的電化學(xué)測試。由于在50℃下涂層和NMC-811本身的鋰離子傳導(dǎo)性都會提高，所以以20c的倍率測試。原始NMC-811電極的容量在100個循環(huán)內(nèi)快速衰減低于100 mAh/g。相比之下，具有ALD LiAlF4涂層的NMC-811電極在100個循環(huán)內(nèi)顯示出優(yōu)異的容量保持率。
圖2. （a）室溫下原始和 LiAlF4膜沉積的NMC-811電極的循環(huán)性能，電化學(xué)窗口為2.75-4.50V。（b，c）第1、10、25和50周期后，原始和LiAlF4膜沉積的NMC-811電極的EIS表征。（d）第二和第50個循環(huán)的原始和LiAlF4膜沉積的NMC-811電極的電壓與容量圖。（e）在50℃下，使用2.75-4.50V的電化學(xué)窗口，原始和LiAlF4膜沉積的NMC-811電極的循環(huán)性能。
作者使用原子層沉積法在鋰離子電池正極上了一層LiAlF4界面層，通過計算表明，基于氟化物的界面層在寬電化學(xué)窗口內(nèi)是熱力學(xué)穩(wěn)定的。穩(wěn)定的鋰離子傳導(dǎo)界面層提高了高Ni含量NMC-811電極的穩(wěn)定性，而且沒有降低離子傳到速度。
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