来源：新能源Leader，文：SSC

背景

富镍正极材料(LiNixCoyMnzO2，x≥0.6，x+y+z=1，NCM)可以制备能量密度为300瓦时每千克、成本为125美元每千瓦时的锂离子电池。因为正极材料占整个电池成本的40-50%，并且在电池电压和容量方面起着决定性的作用。镍含量较高(x>0.8)的富镍材料在某些条件下甚至可以提供超过200毫安时每克的可逆容量。同时，镍含量越高意味着钴含量越少，从而降低了整个材料的成本。然而，循环稳定性有限这一问题阻碍了富镍材料的商业化应用，而富镍材料被认为是当前最有前途的锂离子电池正极材料之一。

研究的问题

本文用不同量的LiTaO3对富镍 Mn 0.04 O2层状正极材料进行改性，探讨快离子导体材料对正极材料的影响。对材料的详细分析揭示了均匀外延的LiTaO3涂层的形成和少量Ta5+掺杂到富镍材料的晶格结构中的效果。涂层厚度随着LiTaO3添加量的增加而增加，这可以保护电极免受电解质的侵蚀，并抑制正极-电解质界面上不希望的寄生反应。同时，掺杂的Ta5+增加了材料的晶面间距，加速了Li+的转移。利用LiTaO3涂层和Ta5+掺杂的正协同效应，在长期循环后，改性材料的容量保持率得到提高，尤其是0.25 wt%和0.5 wt%涂层的富镍材料。此外，还建立了一个过厚的涂层与正极和电解质之间的Li+/电子转移之间的关系，证明非常厚的涂层（包含过厚的Li+的层）对电化学性能有不利影响。这一发现可能有助于更好地理解涂层的作用。

图文分析

图1|(a–e)所有样品的扫描电镜图像和(f)改性材料的合成示意图。

要点：

图2|所有样品的整个XRD图案。

要点：

图3|所有五个样品的(a) Ni 2p、(b) Ta 4f和(c) O 1s以及(d)测量光谱的XPS图

要点：

图4|所有样品的软XAS光谱。(a) Ni L-edge，(b)Ni L-edge的部分曲线，(c) O K-edge，(d)O K-edge的部分曲线。

要点：

图5| (a)LTO -1，(b)LTO -2，(c)LTO -3和(d)LTO -4号的透射电镜图像。(e)中的黑色虚线是前三点的拟合曲线。

要点：

图6|所有样品在(a)0.2c、(b)1c和(C)不同速率下的电化学性能

要点：

图7|(a)第一次循环和(b)第150次循环后所有样品的电化学阻抗谱图。(c)对应的奈奎斯特等效电路模型。d)所有样品在4.3 V恒定电压下的计时电流曲线(最后30秒)。 (a)和(b)中的线是拟合曲线。

结语

本文系统地研究了不同量的改性钽酸锂对富镍材料的影响。通过x光技术和透射电子显微镜的结合，证实了富镍材料表面存在均匀的涂层。此外，x光衍射、软x光吸收光谱和x光电子能谱也显示了富镍材料表面晶格上的Ta5+掺杂的存在。在掺杂和包覆的协同作用下，改性材料的长期循环性能和倍率性能得到了提高，尤其是LTO-1和LTO-2。这种改进可能源于层间距的扩大以及由均匀保护层和次表面结构掺杂抑制的界面寄生反应。本文还发现，即使涂层材料属于快锂离子导体，过厚的涂层也会阻碍锂离子和电子在正极和电解质之间的转移。这些结果不仅首次证实了LiTaO3在富镍材料改性中的积极作用，而且有助于理解涂层对正极材料的作用。

参考文献：Roles of Fast-Ion ConductorLiTaO3 Modifying Ni-rich Cathode Material for Li-Ion Batteries

第一作者：Yuefeng Su，通讯作者：Lai Chen, Ning Li，通讯单位：北京理工大学