我国科研人员开发高压电解液构筑高能量密度锂电池体系

2022.04.03 16:53:46来源: IT之家作者:远洋

4月3日消息，据青岛生物能源与过程研究所消息，当前锂离子电池由于其出色的电化学性能广泛应用于电动汽车，正极材料是影响锂离子电池性能的关键因素之一，使用高比能正极材料（如 NCM811）以及提高电池工作电压（>4.2V）是获得更高能量密度的最有效途径。然而，传统的碳酸酯基电解液无法适配高压电池体系，而且三元正极材料在高电压下会发生各种副反应，最终导致体系劣化、容量衰减。

▲ 高压氟化电解液体系在电极电解液界面的表现、DFT 计算以及全电池循环性能

中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员武建飞团队，多年来深耕正极材料及高性能电解液领域（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 49666；ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 12264），近期在高电压电解液体系开发应用方面取得关键性进展，相关研究成果发表于《化学工程杂志》（Chemical Engineering Journal）。

研究团队开发了一种新型的高压氟化电解液体系，将 NCM811 正极材料的工作电压从 4.2V 提高到 4.6V，拓展了三元体系的使用上限和应用范围，解决了两个重要问题：提高了高镍三元正极体系的比容量和工作电压，抑制 NCM811 正极在高电压下的结构相变、过渡金属离子溶出以及二次粒子的开裂，降低了极化，从而提高体系的能量密度和循环性能；构建了稳定的 CEI 和 SEI，实现高负载量高镍三元体系电池在高电压下的可逆稳定循环。其中 Li||NCM811 半电池在 4.6V 工作电压下可以展现出 247.2 mAh g-1 的高比容量，81.4% 的循环容量保持率（0.5C 200 圈）和 154.5 mAh g-1 的高倍率比容量（5C）。同时，石墨 || NCM811 全电池在 4.6 V 循环 100 圈后仍然保留 185.7 mAh g-1 的高比容量。

通过密度泛函理论（DFT）计算系统阐述了该高压电池体系性能提升的原因。氟取代基（-F）具有很强的吸电子作用，降低了溶剂的最高被占据分子轨道（HOMO），从而提高了电解液的氧化电位。在该体系中，正极表面的氟代溶剂（-F）如 TFA 和 FEC 具有较低的 HOMO 能级，从而获得较高的氧化电位，有助于形成均匀的 CEI 膜。在负极表面，LiDFOB、FEC 和 TFA 的 LUMO 较低，通过协同作用在负极侧还原形成均匀的 SEI 膜，进一步稳定电池性能。通过 SEM、XPS 等系列表征，进一步证实，通过在正极表面形成了薄而均匀的富 B 和富 F 的无机电解质界面，减少了二次粒子的开裂从而缩小正极和电解液之间的接触面积，极大地抑制了电接触不良、副反应以及过渡金属离子溶出，从而突破了高镍三元正极在高电压下容量衰减严重等障碍，为设计开发高能量密度锂离子电池提供了新的思路和途径。