中科院煤化所陈成猛团队Carbon：活性炭/富镍正极的加速反应动力学及在锂离子电池中的应用研究

Energist 能源学人

【引言】

由于大幅增长的市场需求，作为最重要的电储能系统之一的锂离子电池也面临更高的能量密度和功率密度的要求。锂离子电池正极中缓慢的电子/离子传输会限制其电化学性能，尽管研究表明活性炭可以促进电极中电子/离子传输，但其对电极动力学的影响仍未得到深刻理解。因此，揭示活性炭在沿正极厚度方向上的作用机制并利用活性炭提高锂离子电池电化学性能尤为重要。

【成果简介】

近日，中国科学院山西煤炭化学研究所陈成猛研究员与苏方远副研究员（共同通讯作者）等人揭示了少量活性炭（AC）在正极镍钴锰酸锂（NCM622）厚度方向上的作用机制，系统地比较了AC复合的NCM622正极和原始NCM622正极在高倍率下的内部反应过程演变。利用飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）和x射线光电子能谱（XPS）揭示了电极中电荷转移动力学机制。AC的加入使靠近集流体一侧的区域具有更高的锂离子浓度，同时更多的Ni²⁺转化为Ni³⁺，并且基于多孔电极理论的COMSOL模拟结果，探讨了活性炭/富镍正极的反应动力学机理。这些发现提供了可直接降低电子/离子传输阻力和加速电极反应动力学的方法，这对于开发具有长周期稳定性和高倍率性能的锂离子电池至关重要。该成果以题为” Revealing the accelerated reaction kinetic of Ni-rich cathodes by activated carbons for high performance lithium-ion batteries” 在Carbon期刊发表，文章第一作者为中国科学院山西煤炭化学研究所研究生韩亚露。

【图文导读】

图1. 活性炭在复合电极中的分布。电极截面SEM: （a, b）0 wt% AC和5 wt% AC, 碳元素和镍元素的EDS光电子能谱扫描：（c, d）0 wt% AC和5 wt% AC。（e）5 wt% AC电极表面电导率分布。

图2. 锂离子半电池的电化学性能。（a）0.1 mV s^-1的CV曲线,（b）0.1 C时的GCD曲线,（c）循环后的Nyquist图,（d）倍率性能,（e）1 C时的循环性能。

图3. 活性炭复合正极中的电子/离子传输。0 wt% AC和5 wt% AC电极：（a）电导率,（b）氧化峰电流拟合分析(Ip) vs.扫描速率(v^1/2)的平方根,（c）电极对应的半经验拟合曲线(插入值为计算出的τ值)，（d）电极中的电解液保液量。

图4. 靠近0 wt% AC和5 wt% AC集流体一侧的TOF-SIMS和XPS结果。（a, b）电极中离子总含量,（c, d）锂含量,（e）相对锂含量。（f, g）0 wt% AC和5 wt% AC电极靠近集流体一侧Ni²⁺和Ni³⁺的转化程度。

图5. COMSOL模拟结果。（a）电池的几何模型,（b-d）在放电过程中，5% wt% AC电极中电解液浓度、电极反应源及放电深度,（e-g）放电末期，0 wt% AC与5 wt% AC电极中电解液浓度、电极反应源及放电深度的比较。

图6. AC在正极中的放电模型。（a）预吸附电解液, （b）电子传输和（c）电极中的反应动力学。

图7. 0 wt% AC和5 wt% AC在锂离子全电池中的应用研究。（a）锂离子全电池示意图,（b） 5 wt% AC电极和石墨负极在0.1 C时半电池的容量比较,（c）全电池在0.5 C时前三圈的GCD曲线,（d）全电池的倍率曲线和（e）在2 C时的循环曲线。

【结论】

综上所述，通过0 wt% AC和5 wt% AC电极的对比研究，揭示了AC在电极尺度上促进电荷转移，加速反应动力学，进而提高活性物质利用率的机理。本研究强调了电极中的电荷转移动力学和反应动力学机制在锂离子电池研究中的重要性，为提高其他电池储能系统的充放电容量和循环寿命提供了直接途径。

Ya-Lu Han, Zhe-Fan Wang, Li-Jing Xie, Hao Wang, Zong Lin Yi, Jing-Xue Li, Ge Song, Chong Yan, Fang-Yuan Su, Cheng-Meng Chen, Revealing the accelerated reaction kinetic of Ni-rich cathodes by activated carbons for high performance lithium-ion batteries, Carbon, 2023.

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.11.077

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2022-12-28