氧化铝包覆石墨材料，提升锂离子电池快充能力
时间:2019-03-23 18:20来源:新能源Leader 作者:新能源Leader
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电动汽车的发展面临着两大瓶颈：1）续航里程；2）充电速度，近年来随着电池能量密度的不断提升和电池PACK技术的不断进步，电动汽车的续航里程也在不断进步，例如广汽最近推出的AionS新能源汽车其NEDC续航里程就达到了510km，初步解决了里程焦虑问题。然而充电速度的进步却要远远落后于能量密度的提升速度，究其原因主要是现有的石墨负极动力学条件较差，在充电速度过快的情况下会造成金属锂在负极表面析出，从而加剧界面的不稳定性，导致循环性能衰降速度急剧增加，严重影响动力电池的使用寿命。
为了解决石墨负极动力学条件差的问题，近日韩国汉阳大学的DaeSikKim（第一作者）和HansuKim（通讯作者）等人通过在石墨表面包覆一层无定形Al2O3的方法显著提升了石墨材料的快充能力，即便是在4000mA/g的电流密度（约11C充电，5min可完成充电）下仍然能够保持337.1mAh/g的容量，相当于100mA/g电流密度下容量的97.2%，显著提升了锂离子电池的快充能力。
无定形Al2O3是一种陶瓷涂层隔膜常用的无机氧化物材料，能够显著改善电解液的浸润性，因此DaeSikKim认为通过在石墨表面包覆一层无定形Al2O3也能够显著改善石墨与电解液之间的浸润性，从而达到提升石墨负极倍率性能的目的。
Al2O3包覆石墨（Al2O3@石墨）是制备方法是将Al(NO3)3·9H2O与石墨在乙醇溶液中分散，然后在65℃下将乙醇蒸干，并在600℃下热处理3h。通过上图的扫描电镜和透射电镜观察石墨颗粒的形貌，以及通过EDS分析石墨表面的元素分布我们能够看到在石墨的表面成功的覆盖了一层Al2O3。
浸润性是衡量一款电极材料的重要指标，为了分析不同Al2O3含量的Al2O3@石墨材料的浸润性，作者采用了上浮率这一指标对不同石墨材料在电解液中的浸润性进行了分析（测试结果如下图所示，数值越小则表示浸润性越好），从图中能够看到随着氧化铝包覆层增加，石墨材料的浸润性也到了明显的提升。
下图为几种不同石墨材料的电化学性能测试结果，从图中能够看到没有包覆的石墨材料可逆容量为351.03mAh/g，首次充放电库伦效率为94.6%，在加入Al2O3包覆后，石墨材料的容量会出现相应的降低，1wt%添加量的石墨可逆容量为344.85mAh/g，3wt%添加量的材料可逆容量为340.29mAh/g，5wt%添加量的石墨材料为339.04mAh/g，10wt%添加量的石墨材料为318.22mAh/g，同时随着Al2O3的添加量的增加，石墨材料的库伦效率也有相应的降低。从下图b我们能够看到虽然加入Al2O3后会导致材料的可逆容量的降低，但是却能够提升材料的循环性能。
Al2O3包覆的真正优势体现在材料快充性能的提升上，从下图c能够看到即便是在4000mA/g（约为11C，5min左右完成充电）的大倍率下，1wt%包覆量的Al2O3@石墨材料的可逆容量仍然可达337mAh/g，约为其100mA/g电流密度下可逆容量的97.2%，而没有包覆的石墨材料的在4000mA/g电流密度下的可逆容量为329.8mAh/g，为100mA/g电流密度下容量的94%。恒流充电容量占比也是衡量材料倍率性能的重要指标，从下图d我们能够看到在4000mA/g的电流密度下没有包覆处理的普通材料恒流充电容量占比仅为8%，而经过1wt%Al2O3包覆处理后的石墨材料的恒流充电容量占比则达到了16%，表明Al2O3包覆后显著改善了石墨材料的快充能力。
为了验证Al2O3@石墨材料在实际电池中的效果，作者以硼掺杂LCO为正极，分别以普通石墨和1wt%Al2O3@石墨为负极制备了全电池，从下图a和b我们对比电池的恒流充电容量和电池的充电极化情况能够看到，在全电池中Al2O3@石墨材料也能够显著的提升石墨材料的快充能力。下图c为两种负极电池的恒流充电容量与恒压充电容量的占比情况（恒流充电容量越大则充电时间也会越短），从下图c能够看到Al2O3包覆后显著提升了石墨材料的快充性能。从下图b我们可以看到，在10C倍率下充电10min，Al2O3@石墨材料电池的充电容量达到了84%，而普通石墨材料的充电容量仅为77%。
DaeSikKim通过在石墨表面包覆一层无定形Al2O3，改善了石墨／电解液界面的浸润性，从而有效的改善了石墨材料的嵌锂动力学特性，提高了石墨材料的快充能力，对于提升动力电池快充性能具有重要的意义。
(责任编辑：子蕊)
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