AFM: 壳聚糖修饰的氧化铝杂化纳米颗粒作为锂离子电池中HF和溶解过渡金属的智能清除剂

使用LiPF6作为锂盐和高电压（LiNi0.5Mn1.5O4, LNMO）或高容量（LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2, NMC811）正极材料的锂离子电池很容易因HF而导致过渡金属（TM）溶解，其形成是由微量H2O催化的。TM离子会穿梭到阳极区，从而增加电池的降解率。因此，特定的自修复策略有助于开发能够消除HF并吸收TM离子的清除剂，从而避免其穿梭。在这项工作中，报告了一种由壳聚糖修饰的Al2O3颗粒制成的双功能自主清除剂的制造和测试。纳米Al2O3核是通过化学键捕获HF的陷阱。壳聚糖涂层对酸敏感，即使在少量HF存在的情况下，也会触发这种封盖层的打开，从而实现高效的TM离子捕集。此外，壳聚糖还具有生物相容性、生物可降解性和丰富的资源，这与回收设计的范围有关。电解液中的水含量≈200 ppm时，12 wt%的清除剂在1 C下循环200 次后，LNMO的容量保持率从73%提高到88%，而NMC811的容量保持率则从46%提高到84%，令人印象深刻。这种自主自愈机制有望应用于下一代智能电池，而无需任何外部传感。

图文简介

a) HF冲击导致的过渡金属浸出，b) HF清除剂设计概念

a ) TGA图，b ) XRD图( Mo源)，和c )氧化铝纳米颗粒( ANP ) (蓝色)，壳聚糖(绿色)和功能化氧化铝纳米颗粒( C-ANP ) (红色)的FTIR光谱。d ) C-ANPs在55 °C的LP30电解质中随时间的水动力学直径演变，以及由于HF生成而导致的pH随时间的演变。

增加C-ANP wt%时，a) LNMO和b) NMC颗粒中溶解过渡金属百分比的ICP分析定量。

a，b ) LNMO电池(电流密度为146.7 mA g-1)和NMCd电池(电流密度200 mA g-1)在有或无C-ANP的情况下在1 C下长期循环。在循环4和204之间计算容量保持率。对所有研究的电池进行长期循环后，在阳极检测c，d ) TMs浓度。ICP分析未检出钴。

循环后电极表面的SEM图像显示：a，b ) LNMO Bare和c，d ) LNMO 12wt %的C-ANP分别与LP30和LP30_E；对于e，f ) NMC Bull和g，h ) NMC 12Wt %的C-ANP分别与Lp71和Lp71 _ E。

a )以LP30和LP30_E为电解液的LNMO Bare和LNMO 12wt % C-ANP阴极在全充电( 4.9 V)时的热失控行为；b )以LP71和LP71_E为电解液的NMC Bare和NMC 12wt % C-ANP阴极在全充电4.6 V时的热失控行为；c )以LP71_E为电解液的NMC Bare在全充电4.6 V时的热失控行为。

论文信息

通讯作者：Eliana Quartarone