氟化鋁/硼酸復合包覆LiNi0.83 Co0.12 Mn0.05 O2的制備及性能

褚曼曼，于 建，張興旺

（1.浙江大學化學工程與生物工程學院，浙江 杭州 310058;2.寧波容百新能源科技股份有限公司，浙江 寧波 315400）

正極材料是鋰離子電池能量提升的主要限制因素，具有比容量較高的高鎳三元材料鎳鈷錳酸鋰（LiNi1-x-yCoxMnyO2，NCM，x+y≤0.4），受到研究者的廣泛關注[1]。性能快速衰減的問題，阻礙了高鎳三元正極材料的商業化應用。

鋰離子電池產生的氣體主要有 CO、CO2、CH4、C2H4、H2和O2等，來源包括電解液在電極側的氧化還原分解、正極材料釋放活性氧和正極材料表面物質的分解等[2]。產氣會帶來循環性能變差、存儲壽命縮短、阻抗增加等電性能衰減等問題。電池產氣的主要原因在于正極材料，其中正極材料的結構變化、表面污染物、電極與電解液的副反應影響很大。對高鎳三元正極材料進行改性處理，可以抑制與電解液的副反應，增強結構穩定性，改善產氣、循環等性能。

表面包覆是改善電極材料電化學性能的方法之一[3]，惰性氧化物，如Al2O3、MgO、TiO2和ZrO2等，是常用的包覆材料。惰性氧化物包覆層可減少正極與電解液的接觸面積，降低兩者的反應活性，緩解三元材料的性能衰減。氧化物包覆層容易受到HF的侵蝕，部分發生轉變，產生穩定的金屬氟化物和H2O。H2O會與電解液中的LiPF6反應，生成HF，影響包覆改性效果，因此，耐HF腐蝕的金屬氟化物可能是更好的包覆材料[4]。氟化鋁（AlF3）常用來改善正極材料的高電壓循環性能和存儲性能等[5]，但處理過程存在一定的缺陷，如制備過程繁瑣、包覆層不均勻及可能產生強腐蝕性的HF等。采用低熔點的燒結助劑硼酸（H3BO3）[6]與AlF3對正極材料進行復合包覆，可得到均勻致密的包覆層，改善正極材料的電化學性能[7]。

H3BO3可與正極表面的殘鋰反應，生成快離子導體硼酸鋰（Li3BO3）[7];同時，H3BO3在高溫下良好的流動性可攜帶AlF3均勻地包覆在材料表面。均勻的復合包覆層能降低高鎳三元材料與電解液的反應活性，促進Li+的嵌脫，提高正極材料的比容量，改善循環性能，抑制高溫存儲產氣。本文作者采用簡單的一步法，將H3BO3、AlF3與高鎳正極充分混合，在合適的溫度下熱處理，以期得到具有均勻包覆層的改性正極，提高電化學性能。

1 實驗

1.1 材料與試劑

三水合氟化鋁（AlF3·3H2O，國藥集團，98%），AlF3（國藥集團，99%），H3BO3（國藥集團，99.8%），導電劑Super P炭黑（法國產，電池級），導電劑KS-6石墨（瑞士產，電池級），聚偏氟乙烯（PVDF，法國產，電池級），電解液1 mol/L LiPF6/EC+DMC+EMC（體積比 1∶1∶1，廣東產），羧甲基纖維素鈉（CMC，日本產，＞99.5%），聚丁苯橡膠（SBR，日本產，電池級），聚丙烯（PP）/聚乙烯（PE）/PP三層復合隔膜（16μm厚、45 mm寬，日本產），金屬鋰片（天津產，99.5%），石墨（湖南產，電池級），高鎳LiNi0.83Co0.12Mn0.05O2三元材料裸樣（b-NCM，浙江產）和市售樣（Ref-NCM，浙江產），鋁箔（16μm厚，廣西產，電池級），銅箔（11μm厚，廣東產，電池級）。

1.2 材料制備

復合包覆改性示意圖見圖1。

圖1 復合包覆改性示意圖Fig.1 Schematic diagram of composite coating modification

氟化鋁包覆高鎳正極材料:將1 000 g b-NCM與一定質量的Al源混合，混合物中Al元素的質量分數為0.10%。經過球磨及燒結，制備單包覆高鎳三元正極材料。Al源為AlF3·3H2O和AlF3的產物，分別標記為a-NCM、A-NCM。

AlF3·3H2O/H3BO3復合包覆高鎳正極材料:將1 000 g b-NCM、2.0 g H3BO3與一定質量的AlF3·3H2O混合，經過球磨及燒結，制得產物?；旌衔镏?Al元素的質量分數為0.04%、0.08%和 0.15%的 AlF3·3H2O/H3BO3的產物，分別標記為d1-NCM、d2-NCM和d3-NCM。

AlF3/H3BO3復合包覆高鎳正極材料:將1 000 g b-NCM、2.0 g H3BO3與一定質量的AlF3混合，經過球磨及燒結，制得產物。混合物中 Al元素的質量分數為0.06%、0.08%、0.10%和0.12%的 AlF3/H3BO3的產物，分別標記為 D1-NCM、D2-NCM、D3-NCM和D4-NCM。

實驗采用XQM-4L行星球磨機（湖南產）進行球磨，轉速為350 r/min，球料比為 3∶1，時間為 2 h。燒結在通氧氣的管式爐中進行，以2℃/min的速率升溫至350℃，保溫10 h。

1.3 材料結構和形貌分析

用Bruker D8型X射線衍射儀（德國產）對樣品進行晶體結構分析，CuKα，λ=0.15 418 nm，管流 40 mA、管壓 40 kV，掃描速度為 0.02（°）/s，步長為 0.015°;用配備有 X 射線能量色散光譜（EDS）儀的SU-8010型掃描電子顯微鏡（日本產）對樣品進行形貌觀察和成分分析。

1.4 電化學性能測試

將正極活性物質（制備的樣品或Ref-NCM）、Super P炭黑和PVDF按96.5∶1.5∶2.0的質量比混合，涂覆在鋁箔上，在120℃下真空（約-95 kPa，下同）烘烤12 h，再裁剪成直徑為12 mm的圓片。以金屬鋰片為負極，PP/PE/PP三層復合膜為隔膜，滴加1 mol/L LiPF6/EC+DMC+EMC電解液，組裝CR2032型扣式電池。用5 V/5 mA電池測試系統（湖北產）進行充放電測試，電壓為2.50～4.25 V，電流為0.2 C。

將正極活性物質（制備的樣品或Ref-NCM）、Super P炭黑、KS-6石墨和PVDF按94.5∶2.0∶1.0∶2.5的質量比混合，涂覆在鋁箔上，在120℃下真空烘烤12 h，得到正極片。將石墨、Super P炭黑、CMC 和 SBR 按 95.5∶1.0∶1.5∶2.0的質量比混合，涂覆在銅箔上，在110℃下真空烘烤12 h，得到負極片。按1.12∶1.00的正負極容量比，以PP/PE/PP三層復合膜為隔膜，滴加1mol/L LiPF6/EC+DMC+EMC電解液，組裝容量為0.8 Ah的軟包裝電池（48 mm長、30 mm寬、5 mm厚）。用CT-3008W-5V3A-A1電池測試系統（廣東產）進行25℃和45℃循環測試，電壓為3.00～4.20 V，電流為1.0 C。

將軟包裝電池以1.0 C充電至4.20 V，在 70℃下滿充存儲7 d后取出，立即用排水法測試電池體積，得到熱測體積;冷卻至25℃，1 h后，再用排水法測試電池體積，得到冷測體積。

2 結果與討論

2.1 樣品結構與形貌分析

b-NCM、a-NCM和d3-NCM樣品的XRD圖見圖2。

從圖2可知，包覆正極材料具有α-NaFeO2層狀結構，（006）/（102）峰和（108）/（110）峰都出現明顯的分裂，表明層狀結構良好。單包覆b-NCM和復合包覆d3-NCM未出現雜質峰，表明合成中未引入其他雜質。（003）峰強度I（003）與（104）峰強度I（104）之比可反映鋰鎳混排程度，當比值大于1.2時，可以認為混排程度較弱。XRD分析結果表明，b-NCM、a-NCM和d3-NCM樣品的I（003）/I（104）分別為2.26、2.51和2.40，表明正極材料的鋰鎳混排都很弱，包覆處理對鋰鎳混排幾乎沒有影響。

圖2 b-NCM、a-NCM和d3-NCM樣品的XRD圖Fig.2 XRD patterns of b-NCM，a-NCM and d3-NCM samples

圖3為b-NCM、a-NCM和d3-NCM樣品的SEM圖。

圖3 b-NCM、a-NCM和d3-NCM樣品的SEM圖Fig.3 SEM photographs of b-NCM，a-NCM and d3-NCM samples

從圖3可知，高鎳材料是由眾多納米顆粒團聚成的二次球形結構，粒徑約為10μm，且具有很好的球形度。與裸樣b-NCM相比，a-NCM和d3-NCM的形貌幾乎沒有變化。無論是單包覆還是復合包覆樣品，二次球形顆粒的表面都很光滑，暗示包覆層薄且均勻。

圖4為d3-NCM的B、F、Al元素EDS圖。

圖4 d3-NCM樣品的EDS元素映射圖Fig.4 Energy dispersive spectroscopy（EDS）element mapping of d3-NCM sample

從圖4可知，B、F和Al元素均勻地覆蓋在二次球形顆粒的表面，表明包覆材料分布較為均勻。這有利于阻隔正極材料與電解液的接觸，降低兩者的反應活性，改善材料的電化學性能。

2.2 電化學性能

高鎳材料的扣式電池首次充放電曲線見圖5。

從圖5可知，裸樣b-NCM的首次放電比容量較低為198.0mAh/g，復合包覆的d1-NCM、d2-NCM和d3-NCM的放電比容量分別為201.0mAh/g、202.3mAh/g和201.1mAh/g。這表明，復合包覆有利于正極材料比容量的發揮，原因可能是包覆層抑制了電極與電解液的副反應;同時，包覆層中的快離子導體促進了Li+的嵌脫。隨著AlF3·3H2O用量的增加，復合包覆正極的首次放電比容量呈先增加、后降低的趨勢，說明過厚的包覆層會阻礙Li+的擴散，降低材料比容量。

圖5 b-NCM和d-NCM組裝的扣式電池在0.2 C下的首次充放電曲線Fig.5 Initial charge-discharge curves of button cells assembled with b-NCM and d-NCM samples at 0.2 C

以d-NCM復合包覆樣品為正極的軟包裝電池在25℃和45℃下的循環性能見圖6。

圖6 以d-NCM復合包覆樣品為正極的軟包裝電池在25℃和45℃下的循環性能Fig.6 Cycle performance of pouch batteries with composite-coated d-NCM samples as cathode at 25℃and 45℃

從圖6可知，d1-NCM、d2-NCM和d3-NCM在25℃下循環300次的容量保持率分別為88.2%、90.6%和91.7%，可見增加包覆層厚度有利于抑制容量衰減，改善循環性能。在45℃下循環300次，d1-NCM、d2-NCM和d3-NCM的容量保持率幾乎沒有區別，可能是由于溫度升高后，電極與電解液的副反應影響更大，包覆層帶來的影響降低。各樣品中，d2-NCM的比容量最高，說明需要尋找一個合適的AlF3·3H2O包覆量，以實現比容量和循環性能的平衡。

AlF3·3H2O中的結晶水，可能會加劇高鎳材料表面殘鋰的生成[8]，因此采用不含結晶水的AlF3進行包覆。圖7為A-NCM和D-NCM扣式電池在0.2 C下的首次充放電曲線。

圖7 A-NCM和D-NCM組裝的扣式電池在0.2 C下的首次充放電曲線Fig.7 Initial charge-discharge curves of button cells assembled with A-NCM and D-NCM samples at 0.2 C

從圖7可知，單包覆A-NCM的放電比容量為199.1 mAh/g，而 D1-NCM、D2-NCM、D3-NCM 和 D4-NCM 分別為205.3 mAh/g、203.3 mAh/g、201.4 mAh/g和199.0 mAh/g。這表明，AlF3和H3BO3復合包覆可提高材料的放電比容量，但復合包覆正極的比容量隨著AlF3用量的增加而降低。

在25℃下，對以石墨為負極、D-NCM樣品為正極的軟包裝電池進行循環性能測試，結果見圖8。

圖8 以D-NCM復合包覆樣品為正極的軟包裝電池在25℃下的循環性能Fig.8 Cycle performance of pouch batteries with composite-coated D-NCM samples as cathode at 25℃

從圖8可知，隨著包覆量的增加，軟包裝電池的比容量逐漸降低。在25℃下，D1-NCM、D2-NCM、D3-NCM 和 D4-NCM組裝的電池循環300次的容量保持率分別為91.2%、92.4%、91.7%和91.3%，比 AlF3·3H2O/H3BO3包覆樣品的循環性能要好。綜合考慮放電比容量和循環性能，D2-NCM的整體電化學性能更好。

每個樣品選取2只軟包裝電池，進行高溫存儲產氣測試，體積增長情況如表1所示。

表1 70℃下軟包裝電池存儲7 d后的體積增長率Table 1 Volume growth ratio of pouch batteries after stored at 70℃for 7 d

從表1可知，市售樣品制備的軟包裝電池在70℃下存儲7 d后，熱測的體積增長率高達40.7%，冷測為20.6%。AlF3單包覆樣品的高溫存儲性能并沒有改善，但復合包覆樣品制備的電池的體積增長減少，且體積增長率隨著包覆量的增加而降低，D4-NCM樣品的熱測體積增長率下降到10.6%，冷測下降到6.3%。軟包裝電池脹氣性能的改善，很可能是由于均勻致密的復合包覆層的存在，且較厚的包覆層有利于抑制脹氣程度。

3 結論

通過簡單的一次球磨和固相合成法，在高鎳材料表面包覆薄且均勻的AlF3和H3BO3包覆層。

XRD分析結果表明，該包覆層既沒有影響材料的層狀結構，也沒有惡化鋰鎳混排程度。SEM和EDS分析結果表明，AlF3和Li3BO3均勻包覆在正極表面，且對形貌沒有影響。這種耐腐蝕的復合包覆層有利于促進Li+的嵌脫，抑制電極與電解液的副反應。

對高鎳材料進行充放電、循環以及存儲等電性能測試，發現AlF3和H3BO3復合包覆的D1-NCM的比容量提高到205.3mAh/g（高鎳三元材料裸樣為198.0 mAh/g），室溫循環性能略有改善。D1-NCM 70℃高溫存儲熱測體積增長率為24.9%，表現最好的D4-NCM僅有10.6%，產氣量相比市售樣品（熱測體積增長率40.7%）有所減少。

本研究可為優化及設計具有特定電化學性能的正極材料提供參考。