新能源汽車電池材料的電化學性能和制備研究

關鍵詞：新能源汽車；電池材料；電化學性能；制備

中圖分類號：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，新能源汽車產業得到了迅猛發展。作為新能源汽車的核心組件，電池材料的性能優劣直接關系到車輛的續航里程、使用壽命及安全性。目前，新能源汽車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用。但該領域仍面臨成本降低、能量密度提升以及循環性能優化等多重挑戰。在此背景下，深入研究電池正極材料的電化學性能及其制備技術，具有十分重要的現實意義。一方面，這有助于進一步提升電池的整體性能；另一方面，通過技術創新，能夠顯著降低生產成本，從而有力推動新能源汽車的普及與發展。

1電池正極材料及其電化學性能

1.1電化學性能評價指標

鑒于新能源汽車電池材料在電動汽車領域中的核心地位，對其電化學性能的全面評估顯得尤為重要。主要評價指標包括比容量、循環穩定性、倍率性能以及安全性等多個方面。其中，比容量是衡量電池儲能能力的重要參數，直接關系到電池的能量密度與續航能力；循環穩定性反映了電池在長期使用中的性能保持能力，是評估電池壽命的關鍵指標；倍率性能關乎電池的快充快放能力，對于提升用戶體驗至關重要；而安全性，特別是在極端條件下的表現，則是確保電池安全穩定運行的基礎[1]。通過綜合考量這些指標，能夠更全面地評估新能源汽車電池材料的電化學性能，為材料優化與電池設計提供科學依據。

1.2正極材料及其電化學性能

新能源汽車電池正極材料需滿足高比容量、長循環壽命、優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。現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，但循環穩定性需優化；錳酸鋰成本低廉，循環性能良好，但比容量相對有限；磷酸鐵鋰則以其長循環壽命與高安全性著稱，但能量密度尚有較大提升空間。為此，為進一步提升正極材料性能，眾多專家與學者采取了多種改性策略。例如，摻雜改性通過引入其他元素，調整材料晶體結構，以增強電子傳導與離子擴散能力；包覆改性則利用導電材料或保護層，提高材料表面穩定性與電化學反應活性；納米化技術通過減小顆粒尺寸，增大比表面積，縮短離子擴散路徑，從而顯著提升材料的電化學活性[2]。這些改性方法為正極材料性能的優化提供了有效途徑，有力推動了新能源汽車電池技術的創新與發展。

2新能源汽車電池正極材料制備

本文采用熔融擴散法制備新能源汽車電池正極材料，通過精確控制熔融溫度、時間以及原料配比等關鍵工藝參數，制備出性能優異、成分均勻的正極材料。熔融擴散法的基本原理在于，利用高溫環境促使不同成分的材料熔融并相互擴散，最終形成均勻的復合材料。該方法在新能源汽車電池正極材料的制備中展現出獨特優勢。一方面，它確保了材料成分的均勻分布，有效規避了傳統制備方法中可能出現的成分偏析問題，進而提升了正極材料的整體性能。另一方面，該工藝步驟相對簡單，易于操作，有助于降低生產成本，提高生產效率，為新能源汽車電池正極材料的規模化生產提供了可能。

2.1制備原料與儀器

電池正極材料的制備過程中，試驗試劑原料的選擇至關重要，主要包括活性物質、導電劑、粘結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格。

將表1所列原料按比例精確配比并混合后，構建了電池正極材料的基礎框架，并使其具備了特定的電化學屬性。與此同時，試驗過程中還需借助一系列先進的儀器與設備，包括但不限于涂布機、干燥箱及高溫管式爐等，這些設備為正極材料的制備提供了必要的條件與技術支撐。本文采用多硫化物Li2S6作為催化劑材料，其通過升華硫與硫化鋰的化學反應制備而成。具體合成過程為：在氬氣保護氛圍下，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1，3-二氧環己烷（DOL）按1：1體積比配制的混合溶劑中，持續攪拌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體，在后續正極材料制備過程中發揮重要作用。值得注意的是，合成過程中使用的細菌纖維素需經過特定處理，以保證催化劑材料的純度與性能。

2.2制備過程

通常，升華硫與納米材料的復合比例設定在4：6至1：9之間。較低的升華硫比例雖能減少活性物質用量，但會導致容量受限；而過高的比例雖能提升初始容量，卻會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量比2：8充分復合，待其自然冷卻后，成功制備出MoP@NC/S正極材料。與此同時，為進行性能對比，還制備了質量比分別為MoP：S=2：8與SP：S=2：8的復合材料。

在瑪瑙研缽中，將材料按質量比1：1：1混合，并經過20min的細致研磨，以確保各組分均勻分布。而后，將復合材料移至稱量瓶中，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，把漿料均勻涂布于鋁箔表面，置于真空干燥箱內，于120℃下干燥8h，以去除溶劑并實現初步固化。干燥后的極片經過對輥機輥壓處理，顯著增加了密實度與機械強度。再借助切片機將極片切割成直徑為1cm的圓形。然后，將黏結劑、導電劑及MoP@NC/S材料按照1：2：7的質量比例混合，并再次經過研磨與攪拌，得到流動性適宜的漿料。隨后，用推棒將漿料均勻涂敷在涂碳鋁箔上，進行3h的干燥處理。待大部分溶液揮發后，將其轉移到真空干燥箱中繼續干燥12h，以確保材料完全固化。最后，使用壓片機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電池正極極片。

2.3性能測試與表征

2.3.1微觀形貌觀察

本文采用場發射掃描電子顯微鏡對正極材料的微觀結構進行觀察。該儀器因具有高分辨率和制樣便捷等優點，在納米材料，特別是顆粒或微晶尺寸在0.1～100nm范圍內的材料觀察中展現出顯著優勢。具體而言，本文使用的場發射掃描電子顯微鏡型號是德國蔡司生產的Ultra55，其加速電壓設置成5kV，非常適合于材料表面的初步觀察，能夠清晰地展現正極材料的尺度和形貌特征。對于導電性能不足的樣品，本研究在測試前進行了噴金處理，有效提升了樣品的導電性，從而優化了圖像質量[6]。隨后，將加速電壓設定為20kV，對樣品表層的元素分布進行了深入分析，為全面評估材料性能提供了有力的數據支撐。

2.3.2相組成分析

本研究運用X射線衍射（XRD）技術對正極材料的相組成進行分析，以確認目標產物的有效合成。該技術利用高能X射線束作為探測光源，將其投射至預處理后的樣品上（樣品需制備為薄膜或粉末形態以滿足測試要求）。當射線與樣品晶體內部的原子相互作用，且入射角、射線波長以及晶面間距符合布拉格衍射定律時，會引發衍射效應，形成一系列特征性的衍射峰或點[7]。通過探測器捕獲這些衍射信息，并利用專業軟件進行數據處理與解析，最終可獲得樣品的晶體結構特征。XRD技術能夠提供關于材料結構類型、晶格參數及原子排列方式的關鍵信息。通過比對已知材料數據與實驗觀測的衍射圖譜，不僅成功確認了正極材料中Mo、P、C、N等元素的存在，還驗證了所得材料的純相性。此外，XRD技術還具備定量分析的能力，能夠精確測定混合物中各組分的含量與比例。

在場發射掃描電子顯微鏡的觀察下，經過自組裝和高溫磷化處理的MoP@NC多孔材料呈現出表面多孔且顆粒分布均勻的結構特征，內部則為空心構造。經過高溫煅燒后，材料球體直徑縮減至約500nm，同時殼層之間出現粘連與斷裂現象。相比之下，未受碳層保護的金屬顆粒發生了聚集，導致活性位點數量減少。通過比對各種碳源包覆后的材料性能，可以發現檸檬酸作為碳源時，材料展現出最佳的放電性能，其放電平臺平穩且比容量高達538.3mAh/g。圖1示出了不同碳源種類對正極材料放電性能的影響曲線。

進一步地，本研究通過氮氣吸附-脫附實驗詳細測定了材料的孔徑分布情況和比表面積，同時利用四探針法在室溫條件下精確測量了MoP@NC納米材料的電子電導率。通過在不同壓力條件下對材料電阻率的測試，并結合相應的計算，可得出其電導率，并將該結果與MoP納米顆粒以及Super-P導電材料進行了對比分析[8]。此外，在充滿氬氣的手套箱中組裝了電池，并在恒溫條件下對其進行了電化學性能測試。

3結果與分析

本文通過一系列實驗對正極材料的放電性能進行了深入分析。結果表明，檸檬酸作為碳源在提升正極材料的放電性能方面展現出了顯著優勢。此外，本文還進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正極材料放電性能影響的曲線圖，如圖2所示。

在煅燒時間為25h、放電電流密度為100mA/cm²的條件下，正極材料的放電平臺持續時長及電壓降低速率隨煅燒溫度的不同而呈現出顯著差異。具體而言，當煅燒溫度為400℃和500℃煅燒溫度下，正極材料放電平臺面積較小，由此電流衰減較快，比容量相對較低，分別是234.1mAh/g與442.5mAh/g。而當煅燒溫度調整至450℃時，正極材料展現出更大的放電平臺、更長的放電持續時間、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，比容量達到峰值538.3mAh/g。這一結果表明，450℃是優化二硫化鐵碳包覆正極材料電化學性能的最佳煅燒溫度。

本文通過對不同碳源涂層及煅燒溫度條件下正極材料的放電性能進行深入研究，有效揭示了正極材料結構與電化學性能之間的內在聯系。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出顯著優勢。450℃的煅燒溫度被確定為優化二硫化鐵碳包覆正極材料性能的關鍵參數。這些實驗結果不僅為新能源汽車電池正極材料的優化設計提供了重要依據，還為后續的材料改性研究指明了方向與思路。

4結束語

綜上所述，本文采用熔融擴散法成功制備了電池正極材料，并對其電化學性能進行了分析。一方面，本研究有效揭示了不同制備參數對正極材料性能的顯著影響；另一方面，提出了相應的優化策略，為提升電池性能提供了新的思路和視角。未來，我們將持續關注并聚焦于新型材料的探索與制備工藝的創新，例如開發高效包覆技術、引入新型摻雜元素等，以期進一步提升電池的能量密度、循環穩定性以及安全性。