Resumo do revestimento de superfície em materiais catódicos

O longo alcance e as capacidades de carregamento rápido dos veículos elétricos dependem de alto desempenho baterias de íon-lítio, sendo os materiais catódicos um dos mais cruciais componentes. No entanto, os cátodos são propensos a rachar durante o ciclo e apresentam reações colaterais persistentes com eletrólitos, comprometendo significativamente a ciclo de vida da bateria e desempenho da taxa. O revestimento de superfície pode mitigar o estresse, aumentar a molhabilidade dos eletrólitos líquidos, reduzir a carga interfacial transferir resistência e diminuir reações colaterais, efetivamente otimizando materiais catódicos. Apesar disso, a influência do propriedades físico-químicas de revestimentos superficiais no desempenho eletroquímico, bem como a sua evolução durante o ciclismo, ainda requer mais entendimento. Além disso, os materiais e métodos ideais de revestimento de superfície não foram sistematicamente resumidos e concluídos.

1. Requisitos para revestimento de superfície catódica

Os requisitos para revestimento superficial incluem: 1) ser fino e uniforme; 2) possuir condutividade iônica e eletrônica; 3) ter alta mecânica propriedades e permanecendo estável após ciclos de carga/descarga; 4) o processo de revestimento sendo simples e escalável.

2. As funções do revestimento de superfície em materiais catódicos

As funções do revestimento superficial em materiais catódicos incluem: 1) servir como barreira física para inibir reações colaterais; 2) eliminar HF para prevenir ataque químico pelo eletrólito e mitigar a dissolução da transição metais; 3) aumento da condutividade eletrônica e iônica; 4) modificação de superfície química para facilitar a transferência de carga iônica interfacial; 5) estabilizar o estrutura e reduzindo o estresse de transição de fase.

3 Estrutura/Morfologia do Revestimento

3.1 Revestimento Uniforme e Fino
A camada de revestimento deve ser uniforme e fina. Cobertura completa do cátodo partículas protegerão o cátodo do ataque eletrolítico e inibirão reações. Além disso, uma fina camada de revestimento melhora a cinética no interface, melhorando o desempenho da bateria.

3.2 Revestimento Espesso
Um revestimento espesso fornece uma boa barreira física entre o cátodo e o eletrólito. No entanto, revestimentos mais espessos podem dificultar a difusão do lítio durante processos de intercalação e desintercalação, potencialmente com bom desempenho sob operações de alta temperatura.

3.3 ​​Camada de revestimento tipo ilha/áspera
Conseguir um revestimento fino e uniforme em todo o material usando os processos de revestimento úmido são desafiadores. As camadas de revestimento formadas por estes os processos são difíceis e desiguais.

4. Processos/Estratégias de Revestimento

4.1 Processos úmidos
4.1.1 Revestimento Sol-Gel
O processo de revestimento sol-gel é comumente usado para sintetizar materiais catódicos e revestimento de superfície. No entanto, o uso de água ou outros solventes aumenta custos. Além disso, solventes como a água podem causar lixiviação de lítio e alterar a estequiometria da superfície do cátodo.

4.1.2 Revestimento Hidrotérmico/Solvotérmico
As camadas de revestimento desenvolvidas através de processos hidrotérmicos/solvotérmicos são nanoescala e uniforme, permitindo o controle da estequiometria do camada de revestimento. No entanto, são difíceis de processar, com precursores caros sais e baixos rendimentos.

4.2 Processos de revestimento a seco
Os métodos de revestimento a seco podem ser os mais viáveis ​​e adequados, mas alcançar um o revestimento uniforme é um desafio.

4.3 Processos Químicos em Fase Vapor
4.3.1 Deposição Química de Vapor (CVD)
Deposição Química de Vapor (CVD): A uma certa temperatura, os reagentes se decompõem no material do substrato, fazendo com que o material se deposite a partir do vapor fase. A principal vantagem do CVD é a capacidade de produzir produtos de baixa porosidade, camadas de revestimento uniformes e finas.

4.3.2 Deposição de Camada Atômica (ALD)
A camada de revestimento formada pela Deposição de Camada Atômica (ALD) é de escala atômica grossura. Sua maior vantagem reside na capacidade de formar uniformes, camadas de revestimento de alta qualidade com controle preciso. No entanto, sofre de baixa rendimento, tempos de processamento lentos, altos custos de precursores, toxicidade e complexidade processos.

5. Tipos de materiais de revestimento

5.1 Óxidos Metálicos
Os revestimentos de óxido metálico servem como uma barreira física entre o material do cátodo e o eletrólito, sem participar de reações eletroquímicas. O A desvantagem é sua baixa condutividade de íons de lítio. Em alguns casos, a taxa desempenho de materiais catódicos revestidos com óxidos metálicos diminui, causado por impedância aumentada (Rct). No entanto, existem poucos relatos de que tal metal inerte revestimentos de óxido podem melhorar a transferência de carga.

5,2 Fosfatos

Os revestimentos de fosfato podem melhorar as propriedades de transporte de íons do cátodo materiais. Os problemas de ciclagem e segurança deficientes dos óxidos em camadas ricos em níquel dificultar a sua utilização em larga escala. O revestimento de superfície é um método eficaz para mitigar os desafios dos cátodos ricos em níquel. O revestimento Li3PO4 no NCM superfície evita o contato direto entre a superfície do cátodo NCM e o eletrólito, inibindo assim reações colaterais e a formação de resistivos filmes de superfície.

5.3 Materiais catódicos como revestimentos

Materiais catódicos têm sido usados ​​como materiais de revestimento para cátodos. Geralmente, materiais mais estáveis ​​devem ser revestidos com materiais menos estáveis ​​para melhorar a estabilidade geral e o desempenho do material. A vantagem é que eles fornecem uma barreira física entre o cátodo e o eletrólito, inibindo reações colaterais e melhorando a cinética de transferência de carga, resultando em melhor desempenho eletroquímico do material catódico. No entanto, é difícil conseguir revestimentos uniformes e finos de materiais catódicos. Além disso, altas temperaturas de tratamento térmico são necessárias para formar bons revestimentos, o que pode levar à decomposição do material do cátodo. Para este tipo de revestimento, materiais e condições de revestimento ideais precisam ser selecionados. Por exemplo, revestimento ultrafino de espinélio (LiMn2O4) em camadas de Li1.2Mn0.6Ni0.2O2 rico em lítio óxido (USMLLR) melhora o desempenho eletroquímico e térmico. O benefício é que não apenas garante a alta capacidade do óxido em camadas rico em lítio materiais, mas também fornece desempenho de alta taxa, melhorando a carga transferência na superfície devido à excelente condutividade de Li+ do LMO.

5.4 Eletrólitos Sólidos e Outros Condutores Iônicos como Revestimentos

Eletrólitos sólidos têm alta condutividade iônica à temperatura ambiente e são adequados como camadas de revestimento catódico, mas sua condutividade eletrônica é baixo. Devido à sua alta condutividade iônica, espera-se que melhorem a carga transferência na interface cátodo/eletrólito. Além disso, eletrólito sólido os revestimentos fornecem uma barreira física, inibindo reações colaterais. Revestimento de lítio titanato de lantânio (LLTO) em LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NCM) pode melhorar a taxa desempenho, atribuído à alta condutividade iônica do revestimento LLTO camada e a inibição de reações colaterais. No entanto, o aumento do revestimento espessura pode inibir o processo de transferência de elétrons durante carregar/descarregar.

5,5 Polímeros Condutivos

Revestimentos de polímeros condutores podem formar filmes finos uniformes com alta condutividade eletrônica, melhorando a transferência de carga no cátodo/eletrólito interface. Esses polímeros podem acomodar mudanças de volume, reduzindo rachaduras formação.

5.6 Dopagem de Superfície

O método de revestimento de superfície forma uma barreira física no cátodo superfície, que geralmente é menos reativa ao eletrólito, melhorando assim a estabilidade estrutural e térmica do material. Desde o cristal mudanças na estrutura e composição na interface são semelhantes, dopagem de superfície não impede a difusão do Li+, reduz o Rct e o estresse mecânico no Interface e reduz a probabilidade de rachaduras.

6. Correlação Estrutura-Propriedade: Espessura do Revestimento e Íon-Lítio Difusão
Certos revestimentos de superfície podem impedir a difusão de íons, ao mesmo tempo em que fornecem outros vantagens, enquanto alguns revestimentos podem melhorar a difusão de íons, mas comprometer outras propriedades. Considerar estes efeitos como um compromisso sempre foi uma foco da pesquisa de baterias ao adotar revestimentos. A propriedade estrutural correlação entre a espessura do revestimento e a taxa de difusão de íons de lítio do camada de revestimento é um método eficaz para medir esse critério de compromisso.