表面限域掺杂提升高比能正极材料稳定性

张思东 刘园 祁慕尧 曹安民

引用本文: 张思东, 刘园, 祁慕尧, 曹安民. 表面限域掺杂提升高比能正极材料稳定性[J]. 物理化学学报, 2021, 37(11): 2011007-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202011007 shu
Citation:  Zhang Sidong, Liu Yuan, Qi Muyao, Cao Anmin. Localized Surface Doping for Improved Stability of High Energy Cathode Materials[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2021, 37(11): 2011007-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202011007 shu

表面限域掺杂提升高比能正极材料稳定性

    作者简介:


    曹安民,中国科学院化学研究所研究员,1978年出生。2006年博士毕业于中国科学院化学研究所。2007–2012年分别在美国匹兹堡大学、美国德州大学奥斯汀分校从事科研工作。2012年加入中国科学院化学研究所,主要研究方向为功能纳米材料表界面结构的精确调控及其在与能源相关领域中的应用、新型二次电池电极材料体系的开发与应用;
    通讯作者: 曹安民, anmin_cao@iccas.ac.cn
  • 基金项目:

    中国科学院前沿科学研究计划(ZDBS-LY-SLH020), 北京分子科学国家实验室(BNLMS-CXXM-202010), 国家自然科学基金(22025507, 21931012)和高能量密度硅基动力电池的研发与产业化创新团队(2018607219003)资助项目

摘要: 锂离子电池在便携式电子设备、电动汽车等领域得到了广泛应用,随着对电池能量密度需求的日益增加,高比能、高稳定正极材料的开发成为相关研究的重点和难点。而正极材料比能量的提升又同时伴随着其自身结构稳定性和循环稳定性的挑战,使得锂离子电池的稳定性、安全性成为制约其应用的关键挑战。本文以高比能正极材料为研究对象,对影响正极材料结构稳定性、电化学稳定性等一系列因素进行介绍和分析,再从目前改善材料结构稳定性的有效策略入手,对表面限域掺杂这一特殊稳定策略的实现途径、稳定机制进行了总结和分析,并结合现有不同表面修饰方法进行分析和评述,对高比能正极稳定性提升的可能策略及方向进行了展望。

English

    1. [1]

      Dunn, B.; Kamath, H.; Tarascon, J. M. Science 2011, 334, 928. doi: 10.1126/science.1212741

    2. [2]

      Song, M. K.; Park, S.; Alamgir, F. M.; Cho, J.; Liu, M. Mater. Sci. Eng. R: Rep. 2011, 72, 203. doi: 10.1016/j.mser.2011.06.001

    3. [3]

      张世超, 沈泽宇, 陆盈盈.物理化学学报, 2021, 37, 2008065. doi: 10.3866/PKU.WHXB202008065Zhang, S. C.; Shen, Z. Y.; Lu, Y. Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2008065. doi: 10.3866/PKU.WHXB202008065

    4. [4]

      Lyu, Y.; Wu, X.; Wang, K.; Feng, Z.; Cheng, T.; Liu, Y.; Wang, M.; Chen, R.; Xu, L.; Zhou, J.; et al. Adv. Energy Mater. 2020, 2000982. doi: 10.1002/aenm.202000982

    5. [5]

      Xue, Y. J. Modern Power Syst. Clean Energy 2015, 3, 297. doi: 10.1007/s40565-015-0111-5

    6. [6]

      黄云辉.科学通报, 2019, 64, 3811. doi: 10.1360/TB-2019-0656Huang, Y. Chin. Sci. Bull. 2019, 64, 3811. doi: 10.1360/TB-2019-0656

    7. [7]

      Wang, L.; Wu, Z.; Zou, J.; Gao, P.; Niu, X.; Li, H.; Chen, L. Joule 2019, 3, 2086. doi: 10.1016/j.joule.2019.07.011

    8. [8]

      Li, M.; Pei, C.; Xiong, F.; Tan, S.; Yin, Y.; Tang, H.; Huang, D.; An, Q.; Mai, L. Electrochim. Acta 2019, 320, 134556. doi: 10.1016/j.electacta.2019.134556

    9. [9]

      Li, M.; Lu, J.; Chen, Z.; Amine, K. Adv. Mater. 2018, 30, 1800561. doi: 10.1002/adma.201800561

    10. [10]

      Huang, Y.; Dong, Y.; Li, S.; Lee, J.; Wang, C.; Zhu, Z.; Xue, W.; Li, Y.; Li, J. Adv. Energy Mater. 2020, 2000997. doi: 10.1002/aenm.202000997

    11. [11]

      Deng, Y. P.; Wu, Z. G.; Liang, R.; Jiang, Y.; Luo, D.; Yu, A.; Chen, Z. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1808522. doi: 10.1002/adfm.201808522

    12. [12]

      Zhang, M.; Garcia-Araez, N.; Hector, A. L. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 14483. doi: 10.1039/c8ta04063j

    13. [13]

      张继斌, 滑纬博, 郑卓, 刘文元, 郭孝东, 钟本和.物理化学学报, 2015, 31, 905. doi: 10.3866/PKU.WHXB201503091Zhang, J. B.; Hua, W. B.; Zheng, Z.; Liu, W. Y.; Guo, X. D.; Zhong, B. H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2015, 31, 905. doi: 10.3866/PKU.WHXB201503091

    14. [14]

      熊凡, 张卫新, 杨则恒, 陈飞, 王同振, 陈章贤.储能科学与技术, 2018, 7, 607. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0060Xiong, F.; Zhang, W. X.; Yang, Z. H.; Chen, F.; Wang, T. Z.; Chen, Z. X. Energy Storage Science and Technology 2018, 7, 607. doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0060

    15. [15]

      吴锋, 李晴, 陈来, 王紫润, 陈刚, 包丽颖, 卢赟, 陈实, 苏岳锋.物理化学学报, 2021, 37, 2007017. doi: 10.3866/PKU.WHXB202007017Wu, F.; Li, Q.; Chen, L.; Wang, Z. R.; Chen, G.; Bao, L. Y.; Lu, Y.; Chen, S.; Su, Y. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2007017. doi: 10.3866/PKU.WHXB202007017

    16. [16]

      Noh, H. J.; Youn, S.; Yoon, C. S.; Sun, Y. K. J. Power Sources 2013, 233, 121. doi: 10.1016/j.jpowsour.2013.01.063

    17. [17]

      de Biasi, L.; Kondrakov, A. O.; Geßwein, H.; Brezesinski, T.; Hartmann, P.; Janek, J. J. Phys. Chem. C 2017, 121, 26163. doi: 10.1021/acs.jpcc.7b06363

    18. [18]

      Dixit, M.; Markovsky, B.; Schipper, F.; Aurbach, D.; Major, D. T. J. Phys. Chem. C 2017, 121, 22628. doi: 10.1021/acs.jpcc.7b06122

    19. [19]

      Liu, K.; Liu, Y.; Lin, D.; Pei, A.; Cui, Y. Sci. Adv. 2018, 4, eaas9820. doi: 10.1126/sciadv.aas9820

    20. [20]

      Xiong, X.; Wang, Z.; Yue, P.; Guo, H.; Wu, F.; Wang, J.; Li, X. J. Power Sources. 2013, 222, 318. doi: 10.1016/j.jpowsour.2012.08.029

    21. [21]

      Zou, L.; He, Y.; Liu, Z.; Jia, H.; Zhu, J.; Zheng, J.; Wang, G.; Li, X.; Xiao, J.; Liu, J.; et al. Nat. Commun. 2020, 11, 3204. doi: 10.1038/s41467-020-17050-6

    22. [22]

      Liu, W.; Oh, P.; Liu, X.; Lee, M. J.; Cho, W.; Chae, S.; Kim, Y.; Cho, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 4440. doi: 10.1002/anie.201409262

    23. [23]

      Kim, Y. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 6400. doi: 10.1039/C3CP50567G

    24. [24]

      Bie, X.; Liu, L.; Ehrenberg, H.; Wei, Y.; Nikolowski, K.; Wang, C.; Ueda, Y.; Chen, H.; Chen, G.; Du, F. RSC Adv. 2012, 2, 9986. doi: 10.1039/c2ra21670a

    25. [25]

      Kang, K.; Ceder, G. Phys. Rev. B 2006, 74, 094105. doi: 10.1103/PhysRevB.74.094105

    26. [26]

      Zhang, B.; Li, L.; Zheng, J. J. Alloys Compd. 2012, 520, 190. doi: 10.1016/j.jallcom.2012.01.004

    27. [27]

      Huang, Z.; Gao, J.; He, X.; Li, J.; Jiang, C. J. Power Sources 2012, 202, 284. doi: 10.1016/j.jpowsour.2011.10.143

    28. [28]

      Pouillerie, C.; Croguennec, L.; Biensan, P.; Willmann, P.; Delmas, C J. Electrochem Soc. 2000, 147, 2061. doi: 10.1149/1.1393486

    29. [29]

      Chowdari, B. V. R.; Subba Rao, G. V.; Chow, S. Y. Solid State Ionics 2001, 140, 55. doi: 10.1016/S0167-2738(01)00686-5

    30. [30]

      Cho, Y.; Oh, P.; Cho, J. Nano Lett. 2013, 13, 1145. doi: 10.1021/nl304558t

    31. [31]

      Strmcnik, D.; Castelli, I. E.; Connell, J. G.; Haering, D.; Zorko, M.; Martins, P.; Lopes, P. P.; Genorio, B.; Østergaard, T.; Gasteiger, H. A.; et al. Nat. Catal. 2018, 1, 255. doi: 10.1038/s41929-018-0047-z

    32. [32]

      Solchenbach, S.; Metzger, M.; Egawa, M.; Beyer, H.; Gasteiger, H. A. J. Electrochem Soc. 2018, 165, A3022. doi: 10.1149/2.0481813jes

    33. [33]

      Solchenbach, S.; Hong, G.; Freiberg, A.; Jung, R.; Gasteiger, H. J. Electrochem. Soc. 2018, 165, A3304. doi: 10.1149/2.0511814jes

    34. [34]

      Heiskanen, S. K.; Laszczynski, N.; Lucht, B. L. J. Electrochem. Soc. 2020, 167, 100519. doi: 10.1149/1945-7111/ab981c

    35. [35]

      Yoon, W. S.; Chung, K. Y.; McBreen, J.; Yang, X. Q. Electrochem. Commun. 2006, 8, 1257. doi: 10.1016/j.elecom.2006.06.005

    36. [36]

      Yan, P.; Zheng, J.; Gu, M.; Xiao, J.; Zhang, J. G.; Wang, C. M. Nat. Commun. 2017, 8, 14101. doi: 10.1038/ncomms14101

    37. [37]

      Robert, R.; Novák, P. J. Electrochem. Soc. 2015, 162, A1823. doi: 10.1149/2.0721509jes

    38. [38]

      Xu, Z.; Rahman, M. M.; Mu, L.; Liu, Y.; Lin, F. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 21859. doi: 10.1039/c8ta06875e

    39. [39]

      Zhao, S.; Yan, K.; Zhang, J.; Sun, B.; Wang, G. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, doi: 10.1002/anie.202000262

    40. [40]

      Gu, M.; Belharouak, I.; Genc, A.; Wang, Z.; Wang, D.; Amine, K.; Gao, F.; Zhou, G.; Thevuthasan, S.; Baer, D. R.; et al. Nano Lett. 2012, 12, 5186. doi: 10.1021/nl302249v

    41. [41]

      Gu, M.; Belharouak, I.; Zheng, J.; Wu, H.; Xiao, J.; Genc, A.; Amine, K.; Thevuthasan, S.; Baer, D. R.; Zhang, J. G.; et al. ACS Nano 2013, 7, 760. doi: 10.1021/nn305065u

    42. [42]

      Lin, F.; Markus, I. M.; Nordlund, D.; Weng, T. C.; Asta, M. D.; Xin, H. L.; Doeff, M. M. Nat. Commun. 2014, 5, 3529. doi: 10.1038/ncomms4529

    43. [43]

      Gu, L.; Xiao, D.; Hu, Y. S.; Li, H.; Ikuhara, Y. Adv. Mater. 2015, 27. 2134. doi: 10.1002/adma.201404620

    44. [44]

      Xulai, Y.; Junlong, X.; Xu, L.; Tao, W.; Wen, P.; Jia, X. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 24373. doi: 10.1039/C4CP03173C

    45. [45]

      熊礼龙, 徐有龙, 张成, 陶韬.物理化学学报, 2012, 28, 1177. doi: 10.3866/PKU.WHXB201203092Xiong, L. L.; Xu, Y. L.; Zhang, C.; Tao, T. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28, 1177. doi: 10.3866/PKU.WHXB201203092

    46. [46]

      Guan, P.; Zhou, L.; Yu, Z.; Sun, Y.; Liu, Y.; Wu, F.; Jiang, Y.; Chu, D. J. Energy Chem. 2020, 43, 220. doi: 10.1016/j.jechem.2019.08.022

    47. [47]

      Liu, Y.; Lin, X. J.; Sun, Y. G.; Xu, Y. S.; Chang, B. B.; Liu, C. T.; Cao, A. M.; Wan, L. J. Small 2019, 15, 1901019. doi: 10.1002/smll.201901019

    48. [48]

      Thackeray, M. M.; Johnson, C. S.; Kim, J. S.; Lauzze, K. C.; Vaughey, J. T.; Dietz, N.; Abraham, D.; Hackney, S. A.; Zeltner, W.; Anderson, M. A. Electrochem. Commun. 2003, 5, 752. doi: 10.1016/S1388-2481(03)00179-6

    49. [49]

      Piao, J. Y.; Duan, S. Y.; Lin, X. J.; Tao, X. S.; Xu, Y. S.; Cao, A. M.; Wan, L. J. Chem. Commun. 2018, 54, 5326. doi: 10.1039/C8CC01878B

    50. [50]

      Lu, J.; Zhan, C.; Wu, T.; Wen, J.; Lei, Y.; Kropf, A. J.; Wu, H.; Miller, D. J.; Elam, J. W.; Sun, Y. K.; et al. Nat. Commun. 2014, 5, 5693. doi: 10.1038/ncomms6693

    51. [51]

      Ulu Okudur, F.; D'Haen, J.; Vranken, T.; De Sloovere, D.; Verheijen, M.; Karakulina, O. M.; Abakumov, A. M.; Hadermann, J.; Van Bael, M. K.; Hardy, A. RSC Adv. 2018, 8, 7287. doi: 10.1039/C7RA12932G

    52. [52]

      Piao, J. Y.; Sun, Y. G.; Duan, S. Y.; Cao, A. M.; Wang, X. L.; Xiao, R. J.; Yu, X. Q.; Gong, Y.; Gu, L.; Li, Y.; et al. Chem 2018, 4, 1685. doi: 10.1016/j.chempr.2018.04.020

    53. [53]

      Cho, W.; Lim, Y. J.; Lee, S. M.; Kim, J. H.; Song, J. H.; Yu, J. S.; Kim, Y. J.; Park, M. S. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 38915. doi: 10.1021/acsami.8b13766

    54. [54]

      Aurbach, D.; Srur-Lavia, O.; Ghantya, C.; Dixit, M.; Haik, O.; Taliankerb, M.; Grinblata, Y.; Leifer, N.; Lavi, R.; Major, D.; et al. J. Electrochem. Soc. 2015, 162, A1014. doi: 10.1149/2.0681506jes

    55. [55]

      Chen, M.; Zhao, E.; Chen, D.; Wu, M.; Han, S.; Huang, Q.; Yang, L.; Xiao, X.; Hu, Z. Inorg. Chem. 2017, 56, 8355. doi: 10.1021/acs.inorgchem.7b01035

    56. [56]

      Chen, T.; Li, X.; Wang, H.; Yan, X.; Wang, L.; Deng, B.; Ge, W.; Qu, M. J. Power Sources. 2018, 374, 1. doi: 10.1016/j.jpowsour.2017.11.020

    57. [57]

      Kong, D.; Hu, J.; Chen, Z.; Song, K.; Li, C.; Weng, M.; Li, M.; Wang, R.; Liu, T.; Liu, J.; et al. Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1901756. doi: 10.1002/aenm.201901756

    58. [58]

      Kim, U. H.; Myung, S. T.; Yoon, C. S.; Sun, Y. K. ACS Energy Lett. 2017, 2, 1848. doi: 10.1021/acsenergylett.7b00613

    59. [59]

      Wu, F.; Liu, N.; Chen, L.; Su, Y.; Tan, G.; Bao, L.; Zhang, Q.; Lu, Y.; Wang, J.; Chen, S.; et al. Nano Energy 2019, 59, 50. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.02.027

    60. [60]

      Zhang, Y.; Li, H.; Liu, J.; Zhang, J.; Cheng, F.; Chen, J. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 20958. doi: 10.1039/C9TA02803J

    61. [61]

      Zou, L.; Li, J.; Liu, Z.; Wang, G.; Manthiram, A.; Wang, C. Nat. Commun. 2019, 10, 3447. doi: 10.1038/s41467-019-11299-2

    62. [62]

      Weigel, T.; Schipper, F.; Erickson, E. M.; Susai, F. A.; Markovsky, B.; Aurbach, D. ACS Energy Lett. 2019, 4, 508. doi: 10.1021/acsenergylett.8b02302

    63. [63]

      Liu, S.; Liu, Z.; Shen, X.; Li, W.; Gao, Y.; Banis, M. N.; Li, M.; Chen, K.; Zhu, L.; Yu, R.; et al. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1802105. doi: 10.1002/aenm.201802105

    64. [64]

      何磊, 徐俊敏, 王永建, 张昌锦.物理化学学报, 2017, 33, 1605. doi: 10.3866/PKU.WHXB201704145He, L.; Xu, J. M.; Wang, Y. J.; Zhang, C. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33, 1605. doi: 10.3866/PKU.WHXB201704145

    65. [65]

      Zhang, X.; Cao, S.; Yu, R.; Li, C.; Huang, Y.; Wang, Y.; Wang, X.; Gairong, C. ACS Appl. Energy Mater. 2019, 2, 1563. doi: 10.1021/acsaem.8b02178

    66. [66]

      Zhang, W.; Sun, X.; Tang, Y.; Xia, H.; Zeng, Y.; Qiao, L.; Zhu, Z.; Lv, Z.; Zhang, Y.; Ge, X.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 14038. doi: 10.1021/jacs.9b05531

    67. [67]

      Piao, J. Y.; Gu, L.; Wei, Z.; Ma, J.; Wu, J.; Yang, W.; Gong, Y.; Sun, Y. G.; Duan, S. Y.; Tao, X. S.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 4900. doi: 10.1021/jacs.8b13438

    68. [68]

      Liang, G.; Wu, Z.; Didier, C.; Zhang, W.; Cuan, J.; Li, B.; Ko, K. Y.; Hung, P. Y.; Lu, C. Z.; Chen, Y.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 10594. doi: 10.1002/anie.202001454

    69. [69]

      Qiu, B.; Zhang, M.; Wu, L.; Wang, J.; Xia, Y.; Qian, D.; Liu, H.; Hy, S.; Chen, Y.; An, K.; et al. Nat. Commun. 2016, 7, 12108. doi: 10.1038/ncomms12108

    70. [70]

      Schipper, F.; Bouzaglo, H.; Dixit, M.; Erickson, E. M.; Weigel, T.; Talianker, M.; Grinblat, J.; Burstein, L.; Schmidt, M.; Lampert, J.; et. al. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1701682. doi: 10.1002/aenm.201701682

    71. [71]

      Oh, P.; Ko, M.; Myeong, S.; Kim, Y.; Cho, J. Adv. Energy Mater. 2014, 4, 1400631. doi: 10.1002/aenm.201400631

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  2
  • 文章访问数:  57
  • HTML全文浏览量:  11
文章相关
  • 发布日期:  2021-11-15
  • 收稿日期:  2020-11-02
  • 接受日期:  2020-11-27
  • 修回日期:  2020-11-26
  • 网络出版日期:  2020-12-03
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章