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科技的發(fā)展對電池的能量密度提出了較高的要求。鋰離子電池在較寬電化學窗口下工作是一個提高能量密度的有效方法。減小截止電壓的限制，雖然電池可以提供更高的能量密度、比容量和電壓輸出，但是這會對電池的熱力學和動力學穩(wěn)定性帶來挑戰(zhàn)。對于層狀鋰過渡金屬氧化物尤其如此，當施加更寬的電化學窗口時，電池容量得到改善，但是穩(wěn)定性受到影響。近日，崔屹研究團隊通過原子層沉積法研發(fā)一種LiAlF4固體薄膜，這種薄膜具有離子傳導性和熱力學、動力學穩(wěn)定性，以及極好的電化學穩(wěn)定性，克服了上述問題。
圖1. （a-c）具有不同ALD循環(huán)數(shù)的LiF，AlF3和LiAlF4膜的厚度表征。（d-f）在硅晶片上原子沉積 LiF，AlF3和LiAlF4膜的俯視SEM圖像。嵌入圖像是硅晶片上LiF，AlF3和LiAlF4膜的側視圖。
作者將LiAlF4薄膜直接沉積在極片上，而不是在每個顆粒表面。滿足了在寬電化學窗口下工作的要求。作者研究了在2.75-4.50V下，高Ni含量LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（NMC-811）上沉積的涂層效果。在室溫下，具有LiAlF4涂層的NMC-811電極在300次循環(huán)后維持高于140mAh/g的容量（超過300次循環(huán)衰減24%，每循環(huán)0.08％）。對于原始的NMC-811，113次循環(huán)后容量下降到低于140mAh/g（在113個循環(huán)中衰減29%，每個循環(huán)為0.26％）。由于高溫下的循環(huán)穩(wěn)定性差是高Ni含量層狀鋰金屬氧化物最為顯著的缺點。因此，作者對樣品進行了高溫環(huán)境（50℃）的電化學測試。由于在50℃下涂層和NMC-811本身的鋰離子傳導性都會提高，所以以20c的倍率測試。原始NMC-811電極的容量在100個循環(huán)內(nèi)快速衰減低于100 mAh/g。相比之下，具有ALD LiAlF4涂層的NMC-811電極在100個循環(huán)內(nèi)顯示出優(yōu)異的容量保持率。
圖2. （a）室溫下原始和 LiAlF4膜沉積的NMC-811電極的循環(huán)性能，電化學窗口為2.75-4.50V。（b，c）第1、10、25和50周期后，原始和LiAlF4膜沉積的NMC-811電極的EIS表征。（d）第二和第50個循環(huán)的原始和LiAlF4膜沉積的NMC-811電極的電壓與容量圖。（e）在50℃下，使用2.75-4.50V的電化學窗口，原始和LiAlF4膜沉積的NMC-811電極的循環(huán)性能。
作者使用原子層沉積法在鋰離子電池正極上了一層LiAlF4界面層，通過計算表明，基于氟化物的界面層在寬電化學窗口內(nèi)是熱力學穩(wěn)定的。穩(wěn)定的鋰離子傳導界面層提高了高Ni含量NMC-811電極的穩(wěn)定性，而且沒有降低離子傳到速度。
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