關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē)；電池材料；電化學(xué)性能；制備

中圖分類(lèi)號(hào)：U465 DOI ：10.20042/j.cnki.1009-4903.2024.06.003

Research on Electrochemical Performance and Preparation of New Energy Vehicle Battery Materials

Abstract： In order to further improve battery performance and reduce cost， this paper first describes the evaluation indexes ofelectrochemical performance， positive electrode materials and their electrochemical properties， providing a theoretical basis forsubsequent preparation and performance research. Secondly， the cathode material of new energy vehicle battery was prepared，including raw materials and instruments， preparation process and performance testing and characterization; Finally， the paper discussesand analyzes deeply， and provides theoretical basis and practical guidance for the development and application of new energy vehiclebattery materials.

Key words： New energy vehicles；Battery materials；Electrochemical performance；Preparation

0引言

近年來(lái)，新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)得到了迅猛發(fā)展。作為新能源汽車(chē)的核心組件，電池材料的性能優(yōu)劣直接關(guān)系到車(chē)輛的續(xù)航里程、使用壽命及安全性。目前，新能源汽車(chē)電池正極材料的研究已取得了顯著成果，如錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰等材料的廣泛應(yīng)用。但該領(lǐng)域仍面臨成本降低、能量密度提升以及循環(huán)性能優(yōu)化等多重挑戰(zhàn)。在此背景下，深入研究電池正極材料的電化學(xué)性能及其制備技術(shù)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。一方面，這有助于進(jìn)一步提升電池的整體性能；另一方面，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，能夠顯著降低生產(chǎn)成本，從而有力推動(dòng)新能源汽車(chē)的普及與發(fā)展。

1電池正極材料及其電化學(xué)性能

1.1電化學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

鑒于新能源汽車(chē)電池材料在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域中的核心地位，對(duì)其電化學(xué)性能的全面評(píng)估顯得尤為重要。主要評(píng)價(jià)指標(biāo)包括比容量、循環(huán)穩(wěn)定性、倍率性能以及安全性等多個(gè)方面。其中，比容量是衡量電池儲(chǔ)能能力的重要參數(shù)，直接關(guān)系到電池的能量密度與續(xù)航能力；循環(huán)穩(wěn)定性反映了電池在長(zhǎng)期使用中的性能保持能力，是評(píng)估電池壽命的關(guān)鍵指標(biāo)；倍率性能關(guān)乎電池的快充快放能力，對(duì)于提升用戶(hù)體驗(yàn)至關(guān)重要；而安全性，特別是在極端條件下的表現(xiàn)，則是確保電池安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)[1]。通過(guò)綜合考量這些指標(biāo)，能夠更全面地評(píng)估新能源汽車(chē)電池材料的電化學(xué)性能，為材料優(yōu)化與電池設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1.2正極材料及其電化學(xué)性能

新能源汽車(chē)電池正極材料需滿(mǎn)足高比容量、長(zhǎng)循環(huán)壽命、優(yōu)異倍率性能及高安全性等基本要求，這些特性直接影響電池的整體性能?，F(xiàn)有電池正極材料諸如鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰等各具特色：鈷酸鋰能量密度高，但循環(huán)穩(wěn)定性需優(yōu)化；錳酸鋰成本低廉，循環(huán)性能良好，但比容量相對(duì)有限；磷酸鐵鋰則以其長(zhǎng)循環(huán)壽命與高安全性著稱(chēng)，但能量密度尚有較大提升空間。為此，為進(jìn)一步提升正極材料性能，眾多專(zhuān)家與學(xué)者采取了多種改性策略。例如，摻雜改性通過(guò)引入其他元素，調(diào)整材料晶體結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)電子傳導(dǎo)與離子擴(kuò)散能力；包覆改性則利用導(dǎo)電材料或保護(hù)層，提高材料表面穩(wěn)定性與電化學(xué)反應(yīng)活性；納米化技術(shù)通過(guò)減小顆粒尺寸，增大比表面積，縮短離子擴(kuò)散路徑，從而顯著提升材料的電化學(xué)活性[2]。這些改性方法為正極材料性能的優(yōu)化提供了有效途徑，有力推動(dòng)了新能源汽車(chē)電池技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。

2新能源汽車(chē)電池正極材料制備

本文采用熔融擴(kuò)散法制備新能源汽車(chē)電池正極材料，通過(guò)精確控制熔融溫度、時(shí)間以及原料配比等關(guān)鍵工藝參數(shù)，制備出性能優(yōu)異、成分均勻的正極材料。熔融擴(kuò)散法的基本原理在于，利用高溫環(huán)境促使不同成分的材料熔融并相互擴(kuò)散，最終形成均勻的復(fù)合材料。該方法在新能源汽車(chē)電池正極材料的制備中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。一方面，它確保了材料成分的均勻分布，有效規(guī)避了傳統(tǒng)制備方法中可能出現(xiàn)的成分偏析問(wèn)題，進(jìn)而提升了正極材料的整體性能。另一方面，該工藝步驟相對(duì)簡(jiǎn)單，易于操作，有助于降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，為新能源汽車(chē)電池正極材料的規(guī)?；a(chǎn)提供了可能。

2.1制備原料與儀器

電池正極材料的制備過(guò)程中，試驗(yàn)試劑原料的選擇至關(guān)重要，主要包括活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑以及其他輔助材料。表1列出了制備正極材料所需的原料及其規(guī)格。

將表1所列原料按比例精確配比并混合后，構(gòu)建了電池正極材料的基礎(chǔ)框架，并使其具備了特定的電化學(xué)屬性。與此同時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中還需借助一系列先進(jìn)的儀器與設(shè)備，包括但不限于涂布機(jī)、干燥箱及高溫管式爐等，這些設(shè)備為正極材料的制備提供了必要的條件與技術(shù)支撐。本文采用多硫化物L(fēng)i2S6作為催化劑材料，其通過(guò)升華硫與硫化鋰的化學(xué)反應(yīng)制備而成。具體合成過(guò)程為：在氬氣保護(hù)氛圍下，將硫化鋰與升華硫以1：5的摩爾比例混合，加入到1，2-二甲氧基乙烷（DME）和1，3-二氧環(huán)己烷（DOL）按1：1體積比配制的混合溶劑中，持續(xù)攪拌24h，最終制得含有Li2S6的懸浮液[3]。此懸濁液作為催化劑材料的前驅(qū)體，在后續(xù)正極材料制備過(guò)程中發(fā)揮重要作用。值得注意的是，合成過(guò)程中使用的細(xì)菌纖維素需經(jīng)過(guò)特定處理，以保證催化劑材料的純度與性能。

2.2制備過(guò)程

通常，升華硫與納米材料的復(fù)合比例設(shè)定在4：6至1：9之間。較低的升華硫比例雖能減少活性物質(zhì)用量，但會(huì)導(dǎo)致容量受限；而過(guò)高的比例雖能提升初始容量，卻會(huì)加速電池容量的衰減[4]。因此，本研究選取了空心MoP@NC納米材料，使其與升華硫按照質(zhì)量比2：8充分復(fù)合，待其自然冷卻后，成功制備出MoP@NC/S正極材料。與此同時(shí)，為進(jìn)行性能對(duì)比，還制備了質(zhì)量比分別為MoP：S=2：8與SP：S=2：8的復(fù)合材料。

在瑪瑙研缽中，將材料按質(zhì)量比1：1：1混合，并經(jīng)過(guò)20min的細(xì)致研磨，以確保各組分均勻分布。而后，將復(fù)合材料移至稱(chēng)量瓶中，加入足量的N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶液及催化劑，攪拌約1.5～2h，直至漿料均勻[5]。接下來(lái)，把漿料均勻涂布于鋁箔表面，置于真空干燥箱內(nèi)，于120℃下干燥8h，以去除溶劑并實(shí)現(xiàn)初步固化。干燥后的極片經(jīng)過(guò)對(duì)輥機(jī)輥壓處理，顯著增加了密實(shí)度與機(jī)械強(qiáng)度。再借助切片機(jī)將極片切割成直徑為1cm的圓形。然后，將黏結(jié)劑、導(dǎo)電劑及MoP@NC/S材料按照1：2：7的質(zhì)量比例混合，并再次經(jīng)過(guò)研磨與攪拌，得到流動(dòng)性適宜的漿料。隨后，用推棒將漿料均勻涂敷在涂碳鋁箔上，進(jìn)行3h的干燥處理。待大部分溶液揮發(fā)后，將其轉(zhuǎn)移到真空干燥箱中繼續(xù)干燥12h，以確保材料完全固化。最后，使用壓片機(jī)將集流體沖制成直徑為12mm的圓片，即得到所需的新能源汽車(chē)電池正極極片。

2.3性能測(cè)試與表征

2.3.1微觀形貌觀察

本文采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)正極材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。該儀器因具有高分辨率和制樣便捷等優(yōu)點(diǎn)，在納米材料，特別是顆?；蛭⒕С叽缭?.1～100nm范圍內(nèi)的材料觀察中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。具體而言，本文使用的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡型號(hào)是德國(guó)蔡司生產(chǎn)的Ultra55，其加速電壓設(shè)置成5kV，非常適合于材料表面的初步觀察，能夠清晰地展現(xiàn)正極材料的尺度和形貌特征。對(duì)于導(dǎo)電性能不足的樣品，本研究在測(cè)試前進(jìn)行了噴金處理，有效提升了樣品的導(dǎo)電性，從而優(yōu)化了圖像質(zhì)量[6]。隨后，將加速電壓設(shè)定為20kV，對(duì)樣品表層的元素分布進(jìn)行了深入分析，為全面評(píng)估材料性能提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

2.3.2相組成分析

本研究運(yùn)用X射線衍射（XRD）技術(shù)對(duì)正極材料的相組成進(jìn)行分析，以確認(rèn)目標(biāo)產(chǎn)物的有效合成。該技術(shù)利用高能X射線束作為探測(cè)光源，將其投射至預(yù)處理后的樣品上（樣品需制備為薄膜或粉末形態(tài)以滿(mǎn)足測(cè)試要求）。當(dāng)射線與樣品晶體內(nèi)部的原子相互作用，且入射角、射線波長(zhǎng)以及晶面間距符合布拉格衍射定律時(shí)，會(huì)引發(fā)衍射效應(yīng)，形成一系列特征性的衍射峰或點(diǎn)[7]。通過(guò)探測(cè)器捕獲這些衍射信息，并利用專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與解析，最終可獲得樣品的晶體結(jié)構(gòu)特征。XRD技術(shù)能夠提供關(guān)于材料結(jié)構(gòu)類(lèi)型、晶格參數(shù)及原子排列方式的關(guān)鍵信息。通過(guò)比對(duì)已知材料數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的衍射圖譜，不僅成功確認(rèn)了正極材料中Mo、P、C、N等元素的存在，還驗(yàn)證了所得材料的純相性。此外，XRD技術(shù)還具備定量分析的能力，能夠精確測(cè)定混合物中各組分的含量與比例。

在場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡的觀察下，經(jīng)過(guò)自組裝和高溫磷化處理的MoP@NC多孔材料呈現(xiàn)出表面多孔且顆粒分布均勻的結(jié)構(gòu)特征，內(nèi)部則為空心構(gòu)造。經(jīng)過(guò)高溫煅燒后，材料球體直徑縮減至約500nm，同時(shí)殼層之間出現(xiàn)粘連與斷裂現(xiàn)象。相比之下，未受碳層保護(hù)的金屬顆粒發(fā)生了聚集，導(dǎo)致活性位點(diǎn)數(shù)量減少。通過(guò)比對(duì)各種碳源包覆后的材料性能，可以發(fā)現(xiàn)檸檬酸作為碳源時(shí)，材料展現(xiàn)出最佳的放電性能，其放電平臺(tái)平穩(wěn)且比容量高達(dá)538.3mAh/g。圖1示出了不同碳源種類(lèi)對(duì)正極材料放電性能的影響曲線。

進(jìn)一步地，本研究通過(guò)氮?dú)馕?脫附實(shí)驗(yàn)詳細(xì)測(cè)定了材料的孔徑分布情況和比表面積，同時(shí)利用四探針?lè)ㄔ谑覝貤l件下精確測(cè)量了MoP@NC納米材料的電子電導(dǎo)率。通過(guò)在不同壓力條件下對(duì)材料電阻率的測(cè)試，并結(jié)合相應(yīng)的計(jì)算，可得出其電導(dǎo)率，并將該結(jié)果與MoP納米顆粒以及Super-P導(dǎo)電材料進(jìn)行了對(duì)比分析[8]。此外，在充滿(mǎn)氬氣的手套箱中組裝了電池，并在恒溫條件下對(duì)其進(jìn)行了電化學(xué)性能測(cè)試。

3結(jié)果與分析

本文通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)對(duì)正極材料的放電性能進(jìn)行了深入分析。結(jié)果表明，檸檬酸作為碳源在提升正極材料的放電性能方面展現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢(shì)。此外，本文還進(jìn)一步探究了不同煅燒溫度下二硫化鐵包覆檸檬酸的放電性能，并繪制了不同煅燒溫度對(duì)正極材料放電性能影響的曲線圖，如圖2所示。

在煅燒時(shí)間為25h、放電電流密度為100mA/cm²的條件下，正極材料的放電平臺(tái)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)及電壓降低速率隨煅燒溫度的不同而呈現(xiàn)出顯著差異。具體而言，當(dāng)煅燒溫度為400℃和500℃煅燒溫度下，正極材料放電平臺(tái)面積較小，由此電流衰減較快，比容量相對(duì)較低，分別是234.1mAh/g與442.5mAh/g。而當(dāng)煅燒溫度調(diào)整至450℃時(shí)，正極材料展現(xiàn)出更大的放電平臺(tái)、更長(zhǎng)的放電持續(xù)時(shí)間、更高的整體放電效率以及更緩慢的電壓降低速率。在電壓低至1.5V時(shí)，比容量達(dá)到峰值538.3mAh/g。這一結(jié)果表明，450℃是優(yōu)化二硫化鐵碳包覆正極材料電化學(xué)性能的最佳煅燒溫度。

本文通過(guò)對(duì)不同碳源涂層及煅燒溫度條件下正極材料的放電性能進(jìn)行深入研究，有效揭示了正極材料結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。其中，檸檬酸作為碳源在提升正極材料的放電效率和比容量方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。450℃的煅燒溫度被確定為優(yōu)化二硫化鐵碳包覆正極材料性能的關(guān)鍵參數(shù)。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅為新能源汽車(chē)電池正極材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)，還為后續(xù)的材料改性研究指明了方向與思路。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文采用熔融擴(kuò)散法成功制備了電池正極材料，并對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行了分析。一方面，本研究有效揭示了不同制備參數(shù)對(duì)正極材料性能的顯著影響；另一方面，提出了相應(yīng)的優(yōu)化策略，為提升電池性能提供了新的思路和視角。未來(lái)，我們將持續(xù)關(guān)注并聚焦于新型材料的探索與制備工藝的創(chuàng)新，例如開(kāi)發(fā)高效包覆技術(shù)、引入新型摻雜元素等，以期進(jìn)一步提升電池的能量密度、循環(huán)穩(wěn)定性以及安全性。