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钴酸锂具有岩盐相、尖晶石结构相及层状结构相三种不同类型的物相结构。
相层状结构具有好的电化学性能,层状结构钴酸锂为六方晶系α-NaFeO2构造类型,空间群为R-3m,Co原子与近的O原子以共价键的形式形成CoO6八面体,其中二维Co-O层是CoO6八面体之间以共用侧棱的方式排列而成,
Li与近的O原子以离子键结合成LiO6八面体,Li离子与Co离子交替排布在氧负离子构成的骨架中,充放电过程中CoO2层之间伴随着Li离子的脱离和嵌入,钴酸锂仍能保持原来的层状结构稳定而不发生坍塌,是钴酸锂得到广泛应有的关键。
由于正极材料本身的局限性,高电压下过量脱锂导致层状结构不稳定,产生体相结构变化,伴随着相变和体积变化,
使得晶胞参数变化、晶界错位、应力变化、颗粒开裂,导致容量快速衰减;体相结构体积变化影响到表面结构变化,使得表面易产生裂纹,导致表面热稳定性减弱、金属溶解、析氧等;
表面结构的变化伴随着界面副反应及氧的转移,使得电解液氧化、内阻增加、产气、热稳定及安全性能下降等,导致一系列宏观电池失效行为。
在高电压下相变的可逆程度是决定钴酸锂应用的关键,而期望用单一的方法解决高压钴酸锂的问题是不现实的。
结合有效掺杂、共包覆、高压电解液及新功能隔膜配套使用来缓解钴酸锂电池内部失效,从而改善高压钴酸锂[3]。
表面包覆能够抑制表面元素溶解,稳定表面结构,提升电化学性能。
表面包覆包括:(1)电子导体包覆:碳元素是一种电子导体材料,J.Kim等[15]通过低温液相法将碳元素包覆在钴酸锂表面,他们发现碳能够提高循环性能、倍率性能及高温存储性能;
(2)离子导体包覆:LATP是一种良好的离子导体材料,Morimoto等[16]应用机械法将电解质LATP包覆在钴酸锂表面,提高钴酸锂在4.5V的循环性能及倍率性能;
(3)电子离子双导体包覆:电极是一种的电子离子导体,JoongSun Park等[17]发现AlWxFy是一种良好的电子离子导体,包覆钴酸锂在4.5V下具有电化学性能;
(4)电子离子双绝缘包覆:常用的有镁、铝、钛、锆等氧化物。
2016年XieMing等[18]发现,三氧化二铝包覆的样品,在4.7V下具有更加的电性能。
A.Yano等[19]发现在高电压循环下,三氧化二铝包覆钴酸锂能够抑制表层材料开裂,改善电性能。
S.S.Jayasree等[20]发现,二氧化钛包覆样品在高电压下能够提高稳定性,改善倍率性能。
多种元素共包覆也成为高压钴酸锂包覆改性的一个发展趋势。