北理工課題組在鋰電池超級快充和低溫電池的電解液設計方面取得研究進展
發(fā)布日期：2023-01-14 供稿：化學與化工學院 攝影：化學與化工學院
編輯：段凱龍 審核：王振華 閱讀次數(shù)：為了滿足現(xiàn)今電動汽車、特種設備等對儲能設備的更高需求，設計具有高能量密度和長循環(huán)壽命的鋰離子電池極其重要。超快充（XFC）以及低溫性能對于高性能鋰離子電池的設計極其重要。設計新型電解質、改善正極/電解質界面反應層(CEI)的Li+輸運、提高氧化物多晶正極材料二次顆粒的結構穩(wěn)定性，是解決鋰離子電池的超快充和低溫下，容量快速衰減的有效途徑。
基于此，北京理工大學化學與化工學院長聘副教授楊文課題組在國際著名期刊Advanced Materials發(fā)表題目為“Colloid Electrolyte with Changed Li+ Solvation Structure for High-Power, Low-Temperature Lithium-Ion Batteries”的研究論文。 楊文課題組將硫代碳酸鋰(LTC)作為添加劑添加到商業(yè)上電解液（LE），形成具有丁達爾現(xiàn)象的膠體電解質（CLE）。在膠體電解質中，LTC可與PF6-陰離子、有機溶劑之間存在強相互作用；一方面，LTC削弱LiPF6電解質的陰陽離子間的靜電吸引，實現(xiàn)了電解液在室溫和低溫情況下的高離子電導 (σLi+ 15 to 4.5 mS cm-1 at 30 and -20 oC)，另一方面，LTC 與溶劑的強相互作用，鋰離子在嵌入正極材料之前的去溶劑化過程，從而實現(xiàn)改善正極界面鋰離子輸運的目的。此外，由于LTC具有更高的HOMO能級，其易于在多晶的高比能氧化物NCA正極材料的二次顆粒內部，生成具有優(yōu)良機械力學性能的、超?。?nm）Li2CO3主導致密CEI層。該Li2Co3主導CEI層存在于NCA一次顆粒晶界中，可有效解決，由于LE滲透NCA二次內部導致的晶間裂紋產(chǎn)生。由于CLE電解質的上述優(yōu)點，CLE組裝Li/NCA電池，可實現(xiàn)超級快充和低溫充放電，其可在10 C的高倍率下循環(huán)2000圈，容量保持率為80%。上述電池可在-10 ℃低溫下，實現(xiàn)2 C快充，并實現(xiàn)保持長循環(huán)，電池低溫循環(huán)400圈，容量保持率為90%。膠體電解質策略將為XFC 和低溫離子電池的正極界面構筑提出新的思路。
膠體電解質增強有機電解質的Li+鋰離子電導率
圖1 (a) LTC 添加劑的合成示意圖，(b) 膠體電解質的丁達爾現(xiàn)象，(c-d) 商電解質和膠體電解質的拉曼光譜圖，(e) 液體電解質中和膠體電解質不同組分的占比，(f) 不同電解質的核磁7Li譜，(g) 不同濃度LTC 膠體電解質的核磁19F譜，(h)商業(yè)電解質和膠體電解質組裝Li/NCA電池在70 ℃下循環(huán)的庫倫效率, (i) 不同濃度的LTC與電導率關系圖。
Li2CO3 主導超薄CEI滲透到NCA一次顆粒晶界內部，減少NCA二次晶間裂紋
圖2 基于 (a) CLE-1和 (b) LE-1電解液的電池在循環(huán)后NCA正極經(jīng)聚焦離子束切片后的掃描電子顯微圖, (c-e) 基于CLE-1和 (f-h) LE-1電解液的電池循環(huán)后NCA正極在不同放大倍率下的透射電子顯微圖 (分別包含LiF和Li2CO3晶格的傅里葉變換圖和對比度曲線圖), 基于 (i) CLE-1 和 (j) LE-1電解液的電池在循環(huán)后NCA正極的原子力顯微圖, (k) 原子力顯微測試收集到的相應楊氏模量, (i-m) 兩種電解液環(huán)境下NCA顆粒結構演化示意圖。
鋰電池的XFC 和低溫性能
圖3 使用不同電解質電池的倍率性能。 (b) Li | | NCA電池在0.2C和-20℃下的循環(huán)性能。(c) 10C下電池的長循環(huán)性能。
文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202209140
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