Entwicklung einer Waschstrategie mit schwacher Säure für nickelreiche Schichtkathoden

Eine neue Arbeit zur Entwicklung einer Waschstrategie mit schwacher Säure für nickelreiche Schichtkathoden wurde in veröffentlicht Energiematerial Fortschritte.

„Die Erfüllung der Kosten- und Leistungsanforderungen ist für kommerzialisierte Batterien unerlässlich“, sagte der Autor der Studie, Lai Chen, außerordentlicher Professor an der School of Materials Science and Engineering am Beijing Institute of Technology. „Derzeit sind Lithium-Ionen-Batterien auf dem Fahrzeugmarkt weit verbreitet, aber sie müssen noch weiterentwickelt werden, um den Wettbewerbsvorteil gegenüber den Wettbewerbern zu erhalten.“

Chen erklärte, dass Lithium-Ionen-Batterien vom Automobiltyp strenge Anforderungen an die Kathodenmaterialien haben, wie z. B. hohe spezifische Kapazitäten, geeignete Entladungspotentiale, schnelle Transportkinetik und gute Strukturstabilität.

„Unter den verschiedenen Kandidaten für Kathodenmaterialien sind geschichtete Übergangsmetalloxide aufgrund ihrer hohen spezifischen Kapazitäten und Arbeitsspannungen sehr attraktiv“, sagte Chen. „In Bezug auf den Nickelgehalt haben geschichtete nickelreiche Kathoden mit einem Nickelgehalt von über 80 % Vorteile bei den Investitionskosten, der gravimetrischen Kapazität und der Energiedichte, die wichtige Faktoren für die kommerzielle Anwendung sind.“

Größere Probleme treten jedoch immer mit höheren Nickelanteilen in geschichteten nickelreichen Materialien auf. Laut Chen ist eines der erschwerendsten Probleme die Bildung von Oberflächenverunreinigungsphasen wie der Steinsalz-NiO-Phase und restlichen Lithiumverbindungen.

Die Bildungsmechanismen dieser Verunreinigungsphasen werden den intrinsischen Eigenschaften geschichteter nickelreicher Materialien zugeschrieben. Die isolierende Steinsalzphase blockiert die Li+/Elektronen-Diffusionswege und verschlechtert die elektrochemische Leistung von geschichteten nickelreichen Materialien. Die restlichen Lithiumverbindungen verschlechtern die umfassenden Leistungen und verursachen Probleme im nachfolgenden Elektrodenherstellungsprozess.

Um diese schädlichen Oberflächenverunreinigungsphasen für die praktische Anwendung zu entfernen, haben laut Chen die meisten Batteriehersteller den Waschprozess so angepasst, dass die Kathodenpulver einige Stunden lang in gereinigtem Wasser gerührt werden. Diese Waschprozesse konnten die Oberflächenverunreinigungsphasen und den Pulver-pH-Wert deutlich reduzieren. Die erhöhte chemische Empfindlichkeit und die verlängerte Prozesszeit erhöhen jedoch immer noch die Kapitalkosten. Chen und sein Team überprüften die neuesten Arbeiten und verglichen die verschiedenen Modifikationsstrategien, um unerwünschte Oberflächenverunreinigungsphasen zu eliminieren, auf die sich zukünftige Forschung konzentrieren sollte.

„Bemerkenswerterweise hat sich auch gezeigt, dass die Verwendung von Säurebehandlungen die Oberflächenverunreinigungsphasen eliminiert und die Oberflächenstruktur von Ni-reichen Materialien verändert“, sagte Chen. „In diesem Artikel wird geschichtetes nickelreiches Material mit einer Spurenmenge Borsäure geätzt und als Modell verwendet, um die Einflüsse einer Behandlung mit schwacher Säure auf die Oberflächenphasenregulationen zu demonstrieren. Unser Ziel ist es, Inspiration für zukünftige Forschungen auf diesem Gebiet zu liefern .“

„Die unterschiedliche Säurebehandlung umfasst immer drei Stufen, darunter die Säure-Base-Neutralisation zwischen Oberflächenverunreinigungsphasen und Säure, Li+/H+-Ionenaustausch und Übergangsmetallauflösungsreaktionen zwischen Kristallstruktur und Säure sowie mögliche Beschichtungsreaktionen während des sekundären Kalzinierungsprozesses.“

Laut Chen ist es angesichts des Unterschieds in der Partikelgröße, der Inhomogenität der Oberflächenverunreinigungsphasen und der nicht sofortigen Eigenschaften des Ätzprozesses schwierig, den Reaktionsgrad zwischen der Ni-reichen Kathode und der Säurelösung genau zu steuern.

„Im Gegensatz zu den schädlichen Li+/H+-Austausch- und Übergangsmetallauflösungsreaktionen beim Spülen mit viel Wasser oder starken Säuren vermittelt diese Behandlung der Ethanollösung mit einer Spur von H3BO3 die Reaktion mit der intrinsischen NiO-Phase und Restlithium, um die Strukturstabilität aufrechtzuerhalten und die Zykluslebensdauer verlängern“, sagte Chen.

„Unsere Arbeit verwendet nur niedrigere Konzentrationen und kurzzeitige H3BO3-Wäschen, um chemische Veränderungen herbeizuführen und die elektrochemische Stabilität der Ni-reichen Kathode zu verbessern, was eine bessere Speicherleistung zeigt und für die praktische Anwendung von großer Bedeutung ist.“

„Wir haben eine neuartige, effiziente und kostengünstige Strategie bereitgestellt, um die Oberflächenverunreinigungsphasen zu eliminieren und die elektrochemische Leistung von geschichtetem nickelreichem Material zu verbessern“, sagte Chen. „Eine solche Waschstrategie mit schwacher Säure ist für die großtechnische Produktion geeignet und fördert somit die potenzielle praktische Anwendung.“

„Unsere Ergebnisse bestätigten die negativen Auswirkungen der intrinsischen NiO-Phase und der restlichen Lithiumverbindungen auf der Oberfläche von Ni-reichen Materialien und verbesserten das traditionelle Verständnis der Säuremodifikation“, sagte Chen.

„Der Einfluss von Waschparametern wie Fest-Flüssig-Verhältnis, Waschzeit und Konzentration schwacher Säure auf Materialien ist noch immer ein Thema, das systematisch untersucht werden muss. Darüber hinaus sind weitere Studien erforderlich, um dieses Potenzial in Echtzeit zu verifizieren chemische Reaktionen zwischen schwach sauren und oberflächlichen Verunreinigungsphasen. Insgesamt ist es noch ein langer Weg bis zur großtechnischen Anwendung des schwach sauren Waschverfahrens.“