Resumen del revestimiento de superficies de materiales catódicos

El largo alcance y Las capacidades de carga rápida de los vehículos eléctricos dependen del alto rendimiento. Baterías de iones de litio, siendo los materiales catódicos uno de los más importantes. componentes. Sin embargo, los cátodos son propensos a agrietarse durante el ciclo y exhiben reacciones secundarias persistentes con electrolitos, comprometiendo significativamente la ciclo de vida de la batería y rendimiento de la tasa. El revestimiento de superficies puede mitigar el estrés, mejorar la humectabilidad de los electrolitos líquidos, reducir la carga interfacial transferir resistencia y disminuir las reacciones secundarias, por lo tanto de manera efectiva Optimización de los materiales catódicos. Sin embargo, la influencia de la Propiedades fisicoquímicas de los revestimientos superficiales sobre el rendimiento electroquímico. así como su evolución durante el ciclismo, aún requiere más comprensión. Además, los materiales y métodos óptimos de revestimiento de superficies. no se han resumido ni concluido sistemáticamente.

1. Requisitos para el revestimiento de superficies catódicas

Los requisitos para el recubrimiento de superficies incluyen: 1) ser delgado y uniforme; 2) poseer conductividad iónica y electrónica; 3) tener alta mecánica propiedades y permanencia estable después de ciclos de carga/descarga; 4) el El proceso de recubrimiento es simple y escalable.

2. Las funciones del revestimiento de superficies en materiales catódicos

Las funciones del recubrimiento superficial de materiales catódicos incluyen: 1) servir como barrera física para inhibir reacciones secundarias; 2) eliminar el HF para prevenir ataque químico por el electrolito y mitigar la disolución de transición rieles; 3) mejorar la conductividad electrónica e iónica; 4) superficie de modificación química para facilitar la transferencia de carga iónica interfacial; 5) estabilizar el estructura y reducción del estrés de transición de fase.

3 Estructura/morfología del revestimiento

3.1 Revestimiento uniforme y fino
La capa de recubrimiento debe ser uniforme y delgada. Cobertura completa del cátodo. Las partículas protegerán el cátodo del ataque de electrolitos e inhibirán los lados. reacciones. Además, una fina capa de revestimiento mejora la cinética en el interfaz, mejorando el rendimiento de la batería.

3.2 Recubrimiento grueso
Un recubrimiento grueso proporciona una buena barrera física entre el cátodo y el electrólito. Sin embargo, los recubrimientos más gruesos pueden dificultar la difusión del litio. durante los procesos de intercalación y desintercalación, potencialmente funcionando bien bajo operaciones de alta temperatura.

3.3 ​​Capa de revestimiento rugosa o en forma de isla
Lograr una capa delgada y uniforme en todo el material utilizando materiales secos y Los procesos de recubrimiento húmedo son un desafío. Las capas de recubrimiento formadas por estos Los procesos son ásperos y desiguales.

4. Procesos/estrategias de recubrimiento

4.1 Procesos húmedos
4.1.1 Recubrimiento sol-gel
El proceso de recubrimiento sol-gel se usa comúnmente para sintetizar materiales catódicos. y revestimiento de superficies. Sin embargo, el uso de agua u otros disolventes aumenta costos. Además, los disolventes como el agua pueden provocar la lixiviación del litio y alterar la estequiometría de la superficie del cátodo.

4.1.2 Recubrimiento hidrotermal/solvotermal
Las capas de recubrimiento desarrolladas mediante procesos hidrotermales/solvotermales son nanoescala y uniforme, permitiendo el control de la estequiometría de la capa de recubrimiento. Sin embargo, son difíciles de procesar, con un precursor costoso. sales y bajos rendimientos.

4.2 Procesos de recubrimiento en seco
Los métodos de recubrimiento en seco pueden ser los más factibles y adecuados, pero lograr un el recubrimiento uniforme es un desafío.

4.3 Procesos químicos en fase de vapor
4.3.1 Deposición química de vapor (CVD)
Deposición química de vapor (CVD): a cierta temperatura, los reactivos se descomponen sobre el material del sustrato, lo que hace que el material se deposite debido al vapor fase. La principal ventaja de CVD es la capacidad de producir baja porosidad, capas de recubrimiento uniformes y delgadas.

4.3.2 Deposición de capas atómicas (ALD)
La capa de recubrimiento formada por deposición de capa atómica (ALD) es de escala atómica espesor. Su mayor ventaja radica en la capacidad de formar uniformes, capas de recubrimiento de alta calidad con control preciso. Sin embargo, sufre de baja rendimiento, tiempos de procesamiento lentos, altos costos de precursores, toxicidad y complejidad procesos.

5. Tipos de materiales de revestimiento

5.1 Óxidos metálicos
Los recubrimientos de óxido metálico sirven como barrera física entre el material del cátodo. y el electrolito, sin participar en reacciones electroquímicas. El El inconveniente es su mala conductividad de los iones de litio. En algunos casos, la tasa El rendimiento de los materiales catódicos recubiertos con óxidos metálicos disminuye, causado por impedancia aumentada (Rct). Sin embargo, hay pocos informes de que dichos metales inertes Los recubrimientos de óxido pueden mejorar la transferencia de carga.

5.2 Fosfatos

Los recubrimientos de fosfato pueden mejorar las propiedades de transporte de iones del cátodo materiales. Los problemas de ciclos deficientes y de seguridad de los óxidos estratificados ricos en níquel obstaculizar su uso a gran escala. El revestimiento de superficies es un método eficaz para mitigar los desafíos de los cátodos ricos en níquel. El revestimiento de Li3PO4 en el NCM La superficie evita el contacto directo entre la superficie del cátodo NCM y el electrolito, inhibiendo así las reacciones secundarias y la formación de resistivos. películas superficiales.

5.3 Materiales catódicos como revestimientos

Se han utilizado materiales catódicos como materiales de revestimiento para cátodos. Generalmente, los materiales más estables deben recubrirse sobre materiales menos estables para mejorar la estabilidad general y el rendimiento del material. La ventaja es que proporcionan una barrera física entre el cátodo y el electrolito, inhibir las reacciones secundarias y mejorar la cinética de transferencia de carga, lo que resulta en Mejor rendimiento electroquímico del material del cátodo. Sin embargo, es Es difícil lograr recubrimientos uniformes y delgados de materiales catódicos. Además, Se requieren altas temperaturas de tratamiento térmico para formar buenos recubrimientos, que pueden provocar la descomposición del material del cátodo. Para este tipo de recubrimiento, Es necesario seleccionar los materiales y condiciones de recubrimiento óptimos. Por ejemplo, Revestimiento ultrafino de espinela (LiMn2O4) sobre capas de Li1.2Mn0.6Ni0.2O2 ricas en litio. El óxido (USMLLR) mejora el rendimiento electroquímico y térmico. El beneficio es que no sólo garantiza la alta capacidad del óxido estratificado rico en litio materiales pero también proporciona un rendimiento de alta velocidad, al tiempo que mejora la carga transferencia en la superficie debido a la excelente conductividad Li+ de OVM.

5.4 Electrolitos sólidos y otros conductores iónicos como recubrimientos

Los electrolitos sólidos tienen una alta conductividad iónica a temperatura ambiente y son adecuadas como capas de recubrimiento catódico, pero su conductividad electrónica es bajo. Debido a su alta conductividad iónica, se espera que mejoren la carga. transferencia en la interfaz cátodo/electrolito. Además, electrolito sólido Los recubrimientos proporcionan una barrera física que inhibe las reacciones secundarias. Recubrimiento de litio El titanato de lantano (LLTO) en LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NCM) puede mejorar la tasa. Rendimiento, atribuido a la alta conductividad iónica del recubrimiento LLTO. capa y la inhibición de reacciones secundarias. Sin embargo, un mayor recubrimiento El espesor puede inhibir el proceso de transferencia de electrones durante cargando/descargando.

5.5 Polímeros conductores

Los recubrimientos de polímeros conductores pueden formar películas delgadas uniformes con alta Conductividad electrónica, mejorando la transferencia de carga en el cátodo/electrolito. interfaz. Estos polímeros pueden adaptarse a los cambios de volumen, reduciendo el agrietamiento. formación.

5.6 Dopaje de superficie

El método de recubrimiento de superficie forma una barrera física en el cátodo. superficie, que generalmente es menos reactiva al electrolito, mejorando así la estabilidad estructural y térmica del material. desde el cristal Los cambios de estructura y composición en la interfaz son similares, el dopaje de superficie no obstaculiza la difusión de Li+, reduce Rct y la tensión mecánica en el interfaz y reduce la probabilidad de agrietamiento.

6. Correlación estructura-propiedad: espesor del recubrimiento e iones de litio Difusión
Ciertos recubrimientos de superficie pueden dificultar la difusión de iones al tiempo que proporcionan otros ventajas, mientras que algunos recubrimientos pueden mejorar la difusión de iones pero comprometen otras propiedades. Considerar estos efectos como un compromiso siempre ha sido una foco de la investigación sobre baterías al adoptar recubrimientos. La propiedad estructural correlación entre el espesor del recubrimiento y la velocidad de difusión de iones de litio del La capa de recubrimiento es un método eficaz para medir este criterio de compromiso.