锂电正极材料的微观形貌、粒径大小及分布、孔隙率及比表面等性质都对其加工及最后电池产品的性能都有很大影响。而对于此前市场份额较大的三元材料来说,其改性方法包括体相掺杂、表面包覆、梯度化及单晶化等,它们可以进一步提高该电极的电化学性能和稳定性能。下面主要详细介绍体相掺杂改性过程。
体相掺杂是指掺入与材料中离子半径相接近的离子,旨在通过提高材料晶格能的方式来稳定电极晶体结构,从而改善材料的循环性能和热稳定性能。掺杂改进的元素可分为金属离子掺杂、非金属离子掺杂和复合掺杂。
Huang等通过共沉淀和高温固相合成工艺制备出镁离子掺杂的NCM622材料,实验结果发现Mg掺杂有效地抑制了离子混排,循环性能得到改善。XPS结果表明Mg掺杂降低了材料表面的Ni2+/Ni3+值。根据第一原理计算结果显示,Mg的掺杂增加了Li+迁移的活化势能,但掺杂过量会导致材料倍率性能的恶化。
Kageyama等采用固相合成工艺制备出掺F的NCM111材料,研究表明,通过改变了过渡金属离子的价态,从而改变了其晶格结构参数。F的掺杂还促进了晶粒生长并改善了结晶性能。当掺杂量较少时,其可以稳定材料循环过程中活性物质和电解液之间的界面,显著改善三元材料的循环性能;当掺杂量过高时,不仅浪费材料,还会破坏正极电性能。