Riepilogo del rivestimento superficiale sui materiali catodici

Il lungo raggio e le capacità di ricarica rapida dei veicoli elettrici si basano su prestazioni elevate batterie agli ioni di litio, di cui i materiali catodici sono tra i più cruciali componenti. Tuttavia, i catodi tendono a rompersi durante il ciclo e l'esposizione reazioni collaterali persistenti con gli elettroliti, compromettendo significativamente la ciclo di vita della batteria e prestazioni di velocità. Il rivestimento superficiale può mitigare lo stress, migliorare la bagnabilità degli elettroliti liquidi, ridurre la carica interfacciale trasferire la resistenza e diminuire le reazioni collaterali, quindi in modo efficace ottimizzazione dei materiali catodici. Tuttavia, l'influenza del proprietà fisico-chimiche dei rivestimenti superficiali sulle prestazioni elettrochimiche, così come la loro evoluzione durante il ciclismo, richiede ancora altro comprensione. Inoltre, i materiali e i metodi ottimali di rivestimento della superficie non sono stati sistematicamente riassunti e conclusi.

1. Requisiti per il rivestimento superficiale del catodo

I requisiti per il rivestimento superficiale includono: 1) essere sottile e uniforme; 2) possedere conduttività ionica ed elettronica; 3) avendo un'elevata meccanica proprietà e rimanere stabili dopo i cicli di carica/scarica; 4) il il processo di rivestimento è semplice e scalabile.

2. I ruoli del rivestimento superficiale sui materiali catodici

I ruoli del rivestimento superficiale sui materiali catodici includono: 1) servire da a barriera fisica per inibire le reazioni collaterali; 2) eliminare l'HF per prevenirlo attacco chimico da parte dell'elettrolita e mitigare la dissoluzione della transizione metalli; 3) migliorare la conduttività elettronica e ionica; 4) modifica della superficie chimica per facilitare il trasferimento di carica ionica interfacciale; 5) stabilizzare il struttura e riduzione dello stress da transizione di fase.

3 Struttura/Morfologia del rivestimento

3.1 Rivestimento uniforme e sottile
Lo strato di rivestimento deve essere uniforme e sottile. Copertura completa del catodo le particelle proteggeranno il catodo dall'attacco dell'elettrolita e inibiranno il lato reazioni. Inoltre, un sottile strato di rivestimento migliora la cinetica del interfaccia, migliorando le prestazioni della batteria.

3.2 Rivestimento spesso
Uno spesso rivestimento fornisce una buona barriera fisica tra il catodo e il elettrolita. Tuttavia, rivestimenti più spessi possono ostacolare la diffusione del litio durante i processi di intercalazione e deintercalazione, potenzialmente con buone prestazioni in operazioni ad alta temperatura.

3.3 ​​Strato di rivestimento tipo isola/ruvido
Ottenimento di un rivestimento uniforme e sottile su tutto il materiale utilizzando materiali asciutti e I processi di rivestimento a umido sono impegnativi. Gli strati di rivestimento formati da questi i processi sono approssimativi e irregolari.

4. Processi/Strategie di rivestimento

4.1 Processi umidi
4.1.1 Rivestimento Sol-Gel
Il processo di rivestimento sol-gel è comunemente usato per sintetizzare materiali catodici e rivestimento superficiale. Aumenta però l’utilizzo di acqua o altri solventi costi. Inoltre, solventi come l'acqua possono causare la lisciviazione e l'alterazione del litio la stechiometria della superficie del catodo.

4.1.2 Rivestimento idrotermale/solvotermico
Gli strati di rivestimento sviluppati attraverso processi idrotermali/solvotermici sono su scala nanometrica e uniforme, consentendo il controllo della stechiometria del strato di rivestimento. Tuttavia, sono difficili da elaborare e hanno precursori costosi sali e basse rese.

4.2 Processi di rivestimento a secco
I metodi di rivestimento a secco possono essere i più fattibili e adatti, ma raggiungono a il rivestimento uniforme è impegnativo.

4.3 Processi chimici in fase vapore
4.3.1 Deposizione chimica da fase vapore (CVD)
Deposizione chimica da fase vapore (CVD): ad una certa temperatura, i reagenti si decompongono sul materiale del substrato, provocando il deposito del materiale a causa del vapore fase. Il vantaggio principale del CVD è la capacità di produrre a bassa porosità, strati di rivestimento uniformi e sottili.

4.3.2 Deposizione di strati atomici (ALD)
Lo strato di rivestimento formato mediante Atomic Layer Deposition (ALD) è su scala atomica spessore. Il suo più grande vantaggio risiede nella capacità di formare uniformi, strati di rivestimento di alta qualità con controllo preciso. Tuttavia, soffre di bassi resa, tempi di lavorazione lenti, costi elevati dei precursori, tossicità e complessità processi.

5. Tipi di materiali di rivestimento

5.1 Ossidi metallici
I rivestimenti di ossido metallico fungono da barriera fisica tra il materiale del catodo e l'elettrolita, senza partecipare a reazioni elettrochimiche. IL lo svantaggio è la loro scarsa conduttività degli ioni di litio. In alcuni casi, il tasso le prestazioni dei materiali catodici rivestiti con ossidi metallici diminuiscono a causa di aumento dell'impedenza (Rct). Tuttavia, ci sono pochi rapporti su tale metallo inerte i rivestimenti di ossido possono migliorare il trasferimento di carica.

5.2 Fosfati

I rivestimenti in fosfato possono migliorare le proprietà di trasporto ionico del catodo materiali. Lo scarso ciclo e i problemi di sicurezza degli ossidi stratificati ricchi di nichel ostacolarne l’utilizzo su larga scala. Il rivestimento superficiale è un metodo efficace per mitigare le sfide dei catodi ricchi di nichel. Il rivestimento Li3PO4 sull'NCM impedisce il contatto diretto tra la superficie del catodo NCM e il elettrolita, inibendo così le reazioni collaterali e la formazione di resistività pellicole superficiali.

5.3 Materiali catodici come rivestimenti

I materiali catodici sono stati utilizzati come materiali di rivestimento per catodi. In generale, i materiali più stabili dovrebbero essere rivestiti su materiali meno stabili migliorare la stabilità generale e le prestazioni del materiale. Il vantaggio è che forniscono una barriera fisica tra il catodo e l'elettrolita, inibendo le reazioni collaterali e migliorando la cinetica di trasferimento di carica, con conseguente migliori prestazioni elettrochimiche del materiale catodico. Tuttavia, lo è difficile ottenere rivestimenti uniformi e sottili di materiali catodici. Inoltre, sono necessarie temperature di trattamento termico elevate per formare buoni rivestimenti, che possono portare alla decomposizione del materiale del catodo. Per questo tipo di rivestimento, è necessario selezionare materiali e condizioni di rivestimento ottimali. Per esempio, Rivestimento ultrasottile di spinello (LiMn2O4) su strato di Li1.2Mn0.6Ni0.2O2 ricco di litio l'ossido (USMLLR) migliora le prestazioni elettrochimiche e termiche. Il vantaggio è che non solo garantisce l'elevata capacità dell'ossido stratificato ricco di litio materiali ma fornisce anche prestazioni ad alta velocità, migliorando al tempo stesso la carica trasferimento in superficie grazie all'eccellente conduttività Li+ di LMO.

5.4 Elettroliti solidi e altri conduttori ionici come rivestimenti

Gli elettroliti solidi hanno un'elevata conduttività ionica a temperatura ambiente e sono adatti come strati di rivestimento catodico, ma la loro conduttività elettronica lo è Basso. A causa della loro elevata conduttività ionica, si prevede che migliorino la carica trasferimento all’interfaccia catodo/elettrolita. Inoltre, elettrolita solido i rivestimenti forniscono una barriera fisica, inibendo le reazioni collaterali. Rivestimento al litio il titanato di lantanio (LLTO) su LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NCM) può migliorare la velocità prestazioni, attribuite all'elevata conduttività ionica del rivestimento LLTO strato e l'inibizione delle reazioni collaterali. Tuttavia, rivestimento aumentato lo spessore può inibire il processo di trasferimento degli elettroni durante carica/scarica.

5.5 Polimeri conduttivi

I rivestimenti polimerici conduttivi possono formare film sottili uniformi con elevata conduttività elettronica, migliorando il trasferimento di carica al catodo/elettrolita interfaccia. Questi polimeri possono adattarsi alle variazioni di volume, riducendo le crepe formazione.

5.6 Doping superficiale

Il metodo di rivestimento superficiale forma una barriera fisica sul catodo superficiale, che generalmente è meno reattiva verso l’elettrolita, migliorando così la stabilità strutturale e termica del materiale. Dal cristallo i cambiamenti di struttura e composizione all'interfaccia sono simili, drogaggio superficiale non ostacola la diffusione del Li+, riduce Rct e stress meccanici al interfaccia e riduce la probabilità di cracking.

6. Correlazione struttura-proprietà: spessore del rivestimento e ioni di litio Diffusione
Alcuni rivestimenti superficiali possono ostacolare la diffusione degli ioni fornendone altri vantaggi, mentre alcuni rivestimenti possono migliorare la diffusione degli ioni ma comprometterla altre proprietà. Considerare questi effetti come un compromesso è sempre stato a focus della ricerca sulle batterie quando si adottano i rivestimenti. La proprietà strutturale correlazione tra lo spessore del rivestimento e la velocità di diffusione degli ioni di litio lo strato di rivestimento è un metodo efficace per misurare questo criterio di compromesso.