科技日報記者 王健高 通訊員 劉佳 高雪
3月31日，記者從中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所獲悉，該研究所先進儲能材料與技術(shù)研究組在武建飛研究員的帶領(lǐng)下，多年來深耕正極材料及高性能電解液領(lǐng)域，近期在高電壓電解液體系開發(fā)應(yīng)用方面取得關(guān)鍵性進展，相關(guān)研究成果近日發(fā)表于國際期刊《化學(xué)工程雜志》。論文第一作者為該研究所在讀碩士研究生趙晴，通訊作者為該研究所武建飛研究員和宋德朋助理研究員。
據(jù)介紹，當(dāng)前鋰離子電池由于其出色的電化學(xué)性能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電動汽車。正極材料是影響鋰離子電池性能的關(guān)鍵因素之一，使用高比能正極材料（如NCM811）以及提高電池工作電壓（>4.2V），是獲得更高能量密度的最有效途徑。然而，傳統(tǒng)的碳酸酯基電解液無法適配高壓電池體系，同時三元正極材料在高電壓下發(fā)生各種副反應(yīng)，最終導(dǎo)致體系劣化、容量衰減。
記者了解到，該研究團隊開發(fā)了一種新型的高壓氟化電解液體系，將NCM811正極材料的工作電壓從4.2V提高到4.6V，拓展了三元體系的使用上限和應(yīng)用范圍，解決了兩個重要問題：極大提高了高鎳三元正極體系的比容量和工作電壓，抑制NCM811正極在高電壓下的結(jié)構(gòu)相變、過渡金屬離子溶出以及二次粒子的開裂，降低了極化，從而提高體系的能量密度和循環(huán)性能。構(gòu)建了穩(wěn)定的CEI和SEI，實現(xiàn)高負載量高鎳三元體系電池在高電壓下的可逆穩(wěn)定循環(huán)。
高壓氟化電解液體系在電極電解液界面的表現(xiàn)、DFT計算以及全電池循環(huán)性能。趙晴、高雪供圖
武建飛介紹，通過密度泛函理論（DFT）計算系統(tǒng)闡述了該高壓電池體系性能提升的原因。氟取代基（-F）具有很強的吸電子作用，降低了溶劑的最高被占據(jù)分子軌道（HOMO），從而提高了電解液的氧化電位。通過在正極表面形成了薄而均勻的富B和富F的無機電解質(zhì)界面，減少了二次粒子的開裂從而縮小正極和電解液之間的接觸面積，極大地抑制了電接觸不良、副反應(yīng)以及過渡金屬離子溶出，從而突破了高鎳三元正極在高電壓下容量衰減嚴重等障礙，為設(shè)計開發(fā)高能量密度鋰離子電池提供了新的思路和途徑。
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