電動汽車長續(xù)航與快速充電需求高性能鋰離子電池支撐。正極材料是電池核心組件，循環(huán)過程中易破裂與電解質(zhì)反應(yīng)，影響電池性能。表面包覆技術(shù)能減小應(yīng)力、提高潤濕性、降低界面電荷轉(zhuǎn)移阻力、減少副反應(yīng)，優(yōu)化正極材料性能。但包覆材料和方法的物理化學(xué)性質(zhì)對電化學(xué)性能影響及包覆過程演變規(guī)律還需深入理解，最佳包覆材料與方法仍需系統(tǒng)歸納總結(jié)。

美國橡樹嶺國家實驗室的Ilias Belharouaka等人，發(fā)表綜述文章，總結(jié)正極包覆的化學(xué)、物理特性與選擇標(biāo)準(zhǔn)。討論包覆厚度概念與實現(xiàn)均勻包覆方法，總結(jié)正極表面包覆最新進(jìn)展、有效性和必要性。指出包覆類型、厚度與鋰離子擴(kuò)散之間的結(jié)構(gòu)性質(zhì)相關(guān)性。文章以“Valuation of Surface Coatings in High-Energy Density Lithium-ion Battery Cathode Materials”為題發(fā)表在《Energy Storage Materials》雜志。

一、正極表面包覆要求包括：薄而均勻，具有離子和電子導(dǎo)電性，高機(jī)械性能，穩(wěn)定充放電循環(huán)后性能。均勻薄包覆能保護(hù)正極免受電解質(zhì)侵襲，抑制副反應(yīng)，提高界面動力學(xué)，改善電池性能。

二、表面包覆作用包括：物理屏障，抑制副反應(yīng)；清除HF，防止電解質(zhì)化學(xué)侵蝕，減輕過渡金屬溶解；提升電子和離子導(dǎo)電；表面化學(xué)改性，促進(jìn)界面離子電荷轉(zhuǎn)移；穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，減輕相變應(yīng)力。

三、包覆結(jié)構(gòu)/形態(tài)包括：均勻且薄的包覆，厚包覆，島狀/粗糙包覆層。均勻薄包覆保護(hù)正極，厚包覆提供物理屏障，島狀/粗糙包覆層難以獲得均勻。

四、包覆工藝/策略包括：濕法工藝（溶膠凝膠、水熱/溶劑熱），干涂工藝，氣相化學(xué)過程（CVD、ALD）。CVD和ALD工藝可生產(chǎn)出低孔隙率、均勻且薄的包覆層。

五、包覆材料類型包括：金屬氧化物、磷酸鹽、電極材料作為包覆、固體電解質(zhì)和其他離子導(dǎo)體作為包覆、導(dǎo)電聚合物、表面摻雜。金屬氧化物包覆可作為物理屏障，但鋰離子傳導(dǎo)性差。磷酸鹽包覆改善離子傳輸性能。電極材料包覆提供物理阻擋層，抑制副反應(yīng)，改善電荷轉(zhuǎn)移。固體電解質(zhì)包覆提供物理屏障，抑制副反應(yīng)。導(dǎo)電聚合物包覆改善正極/電解質(zhì)界面電荷轉(zhuǎn)移。表面摻雜提高材料結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性。

六、結(jié)構(gòu)-特性相關(guān)性：包覆厚度與鋰離子擴(kuò)散之間的結(jié)構(gòu)特性相關(guān)性是衡量折衷標(biāo)準(zhǔn)的有效方法。大多數(shù)氧化物和氟化物的鋰離子擴(kuò)散率極低，較厚包覆導(dǎo)致擴(kuò)散時間更長，包覆厚度應(yīng)小于10nm以獲得更好的電化學(xué)性能。

七、全固態(tài)電池正極材料包覆在全固態(tài)電池中正極包覆的必要性和作用，全固態(tài)電池高安全性是電池研發(fā)重點。包覆層需要電絕緣和離子導(dǎo)電，抑制或適應(yīng)正極材料的體積變化，保持顆粒間的接觸，降低界面電阻。

綜上所述，正極表面包覆在提高鋰離子電池性能方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。選擇合適的包覆材料、工藝與包覆厚度，平衡改善性能與商業(yè)化應(yīng)用的折衷，對于實現(xiàn)高性能鋰離子電池至關(guān)重要。全固態(tài)電池中正極包覆層設(shè)計需要綜合考慮物理屏障、防止相互擴(kuò)散、低電子電導(dǎo)率、高離子電導(dǎo)率、良好機(jī)械性能與界面電阻。