Résumé du revêtement de surface sur les matériaux cathodiques

La longue portée et les capacités de recharge rapide des véhicules électriques reposent sur des performances élevées batteries lithium-ion, les matériaux cathodiques étant l'un des éléments les plus cruciaux composants. Cependant, les cathodes sont sujettes à la fissuration pendant le cyclage et présentent réactions secondaires persistantes avec les électrolytes, compromettant considérablement la la durée de vie et les performances du taux de la batterie. Le revêtement de surface peut atténuer le stress, améliorer la mouillabilité des électrolytes liquides, réduire la charge interfaciale résistance au transfert et diminution des réactions secondaires, permettant ainsi efficacement optimisation des matériaux cathodiques. Néanmoins, l'influence du propriétés physicochimiques des revêtements de surface sur les performances électrochimiques, ainsi que leur évolution au cours du cyclisme, nécessitent encore des compréhension. De plus, les matériaux et méthodes de revêtement de surface optimaux n'ont pas été systématiquement résumés et conclus.

1. Exigences relatives au revêtement de surface cathodique

Les exigences relatives au revêtement de surface comprennent : 1) être mince et uniforme ; 2) possédant une conductivité ionique et électronique ; 3) ayant une mécanique élevée propriétés et rester stable après les cycles de charge/décharge ; 4) le le processus de revêtement étant simple et évolutif.

2. Les rôles du revêtement de surface sur les matériaux cathodiques

Les rôles du revêtement de surface sur les matériaux cathodiques comprennent : 1) servir de barrière physique pour inhiber les réactions secondaires ; 2) éliminer l’HF pour prévenir attaque chimique par l'électrolyte et atténuer la dissolution de la transition métaux; 3) améliorer la conductivité électronique et ionique ; 4) modification de la surface chimie pour faciliter le transfert de charge ionique interfacial ; 5) stabiliser le structure et réduction des contraintes de transition de phase.

3 Structure/Morphologie du revêtement

3.1 Revêtement uniforme et fin
La couche de revêtement doit être uniforme et fine. Couverture complète de la cathode les particules protégeront la cathode de l'attaque de l'électrolyte et inhiberont le côté réactions. De plus, une fine couche de revêtement améliore la cinétique au Interface, améliorant les performances de la batterie.

3.2 Revêtement épais
Un revêtement épais offre une bonne barrière physique entre la cathode et le électrolyte. Cependant, des revêtements plus épais peuvent gêner la diffusion du lithium. pendant les processus d'intercalation et de désintercalation, potentiellement performants dans des opérations à haute température.

3.3 ​​Couche de revêtement insulaire/rugueuse
Obtenir une couche uniforme et fine sur l'ensemble du matériau à l'aide de produits secs et les processus de revêtement humide sont un défi. Les couches de revêtement formées par ces les processus sont difficiles et inégaux.

4. Processus/Stratégies de revêtement

4.1 Processus humides
4.1.1 Revêtement sol-gel
Le procédé de revêtement sol-gel est couramment utilisé pour synthétiser des matériaux cathodiques. et revêtement de surface. Cependant, l'utilisation d'eau ou d'autres solvants augmente frais. De plus, les solvants comme l'eau peuvent provoquer une lixiviation du lithium et altérer la stœchiométrie de la surface de la cathode.

4.1.2 Revêtement hydrothermal/solvothermique
Les couches de revêtement développées par des processus hydrothermaux/solvothermiques sont à l'échelle nanométrique et uniforme, permettant le contrôle de la stœchiométrie du couche de revêtement. Cependant, ils sont difficiles à traiter, car ils nécessitent des précurseurs coûteux. sels et faibles rendements.

4.2 Processus de revêtement à sec
Les méthodes de revêtement à sec peuvent être les plus réalisables et les plus appropriées, mais l'obtention d'un un revêtement uniforme est un défi.

4.3 Processus chimiques en phase vapeur
4.3.1 Dépôt chimique en phase vapeur (CVD)
Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) : à une certaine température, les réactifs se décomposent sur le matériau du substrat, provoquant le dépôt du matériau à partir de la vapeur phase. Le principal avantage du CVD est la capacité de produire des particules à faible porosité, couches de revêtement uniformes et minces.

4.3.2 Dépôt de couche atomique (ALD)
La couche de revêtement formée par dépôt de couche atomique (ALD) est à l'échelle atomique épaisseur. Son plus grand avantage réside dans sa capacité à former des couches de revêtement de haute qualité avec un contrôle précis. Il souffre cependant d'un faible rendement, temps de traitement lents, coûts élevés des précurseurs, toxicité et complexité processus.

5. Types de matériaux de revêtement

5.1 Oxydes métalliques
Les revêtements d'oxyde métallique servent de barrière physique entre le matériau de la cathode et l'électrolyte, sans participer aux réactions électrochimiques. Le L’inconvénient est leur mauvaise conductivité lithium-ion. Dans certains cas, le taux les performances des matériaux cathodiques recouverts d'oxydes métalliques diminuent, causées par impédance augmentée (Rct). Cependant, il existe peu de rapports indiquant qu'un tel métal inerte les revêtements d'oxyde peuvent améliorer le transfert de charge.

5.2 Phosphates

Les revêtements de phosphate peuvent améliorer les propriétés de transport des ions de la cathode matériels. Les mauvais cycles et les problèmes de sécurité des oxydes en couches riches en nickel entraver leur utilisation à grande échelle. Le revêtement de surface est une méthode efficace pour atténuer les défis des cathodes riches en nickel. Le revêtement Li3PO4 du NCM La surface empêche le contact direct entre la surface de la cathode NCM et le électrolyte, inhibant ainsi les réactions secondaires et la formation de résistifs films de surface.

5.3 Matériaux cathodiques comme revêtements

Des matériaux cathodiques ont été utilisés comme matériaux de revêtement pour les cathodes. Généralement, des matériaux plus stables doivent être appliqués sur des matériaux moins stables pour améliorer la stabilité globale et les performances du matériau. L'avantage est qu'ils assurent une barrière physique entre la cathode et l'électrolyte, inhibant les réactions secondaires et améliorant la cinétique de transfert de charge, ce qui entraîne meilleures performances électrochimiques du matériau cathodique. Cependant, c'est difficile d'obtenir des revêtements uniformes et minces de matériaux cathodiques. De plus, des températures de traitement thermique élevées sont nécessaires pour former de bons revêtements, qui peuvent conduire à la décomposition du matériau cathodique. Pour ce type de revêtement, Les matériaux et conditions de revêtement optimaux doivent être sélectionnés. Par exemple, revêtement de spinelle ultra-mince (LiMn2O4) sur des couches de Li1.2Mn0.6Ni0.2O2 riches en lithium l'oxyde (USMLLR) améliore les performances électrochimiques et thermiques. L'avantage est qu'il garantit non seulement la haute capacité de l'oxyde en couches riche en lithium Matériaux mais offre également des performances à haut débit, tout en améliorant la charge transfert en surface dû à l’excellente conductivité Li+ du LMO.

5.4 Électrolytes solides et autres conducteurs ioniques utilisés comme revêtements

Les électrolytes solides ont une conductivité ionique élevée à température ambiante et conviennent comme couches de revêtement cathodique, mais leur conductivité électronique est faible. En raison de leur conductivité ionique élevée, ils devraient améliorer la charge transfert à l’interface cathode/électrolyte. De plus, l'électrolyte solide les revêtements fournissent une barrière physique, inhibant les réactions secondaires. Revêtement lithium le titanate de lanthane (LLTO) sur LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NCM) peut améliorer le taux performances, attribuées à la conductivité ionique élevée du revêtement LLTO couche et l'inhibition des réactions secondaires. Cependant, un revêtement accru l'épaisseur peut inhiber le processus de transfert d'électrons pendant charge/décharge.

5.5 Polymères conducteurs

Les revêtements polymères conducteurs peuvent former des films minces uniformes avec une haute conductivité électronique, améliorant le transfert de charge à la cathode/électrolyte interface. Ces polymères peuvent s'adapter aux changements de volume, réduisant ainsi les fissures formation.

5.6 Dopage superficiel

La méthode de revêtement de surface forme une barrière physique sur la cathode surface, qui est généralement moins réactive à l’électrolyte, améliorant ainsi la stabilité structurelle et thermique du matériau. Depuis le cristal les changements de structure et de composition à l'interface sont similaires, dopage de surface ne gêne pas la diffusion du Li+, réduit le Rct et les contraintes mécaniques au interface et réduit le risque de fissuration.

6. Corrélation structure-propriété : épaisseur du revêtement et lithium-ion Diffusion
Certains revêtements de surface peuvent entraver la diffusion des ions tout en fournissant d'autres avantages, alors que certains revêtements peuvent améliorer la diffusion des ions mais compromettre d'autres propriétés. Considérer ces effets comme un compromis a toujours été une priorité de la recherche sur les batteries lors de l'adoption de revêtements. La propriété structurelle corrélation entre l'épaisseur du revêtement et le taux de diffusion des ions lithium du La couche de revêtement est une méthode efficace pour mesurer ce critère de compromis.