當(dāng)前快訊:清華團(tuán)隊(duì)發(fā)布電解液最新研究

(資料圖片僅供參考)

2023年5月10日，清華大學(xué)張強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)在Cell Press細(xì)胞出版社材料旗艦期刊Matter上發(fā)表了題為“Inhibiting gas generation to achieve ultralong-lifespan lithium-ion batteries at low temperatures”的研究文章。該研究揭示了基于羧酸酯基電解液體系鋰離子電池低溫循環(huán)的產(chǎn)氣機(jī)制，提出了高鹽乙酸乙酯基電解液策略抑制氣體生成，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)電化學(xué)動(dòng)力學(xué)和界面穩(wěn)定性的兼顧，開發(fā)出在極端環(huán)境下高效工作的電池器件。

研究亮點(diǎn)

1. 揭示了基于羧酸酯基電解液體系鋰離子電池低溫循環(huán)的產(chǎn)氣機(jī)制。

2. 提出了高鹽乙酸乙酯基電解液策略抑制氣體生成。

3. 實(shí)現(xiàn)了Ah級(jí)軟包全電池在?20°C充電/放電工況下超過(guò)一年的穩(wěn)定長(zhǎng)循環(huán)壽命，創(chuàng)造新紀(jì)錄。

在常規(guī)鋰鹽濃度的乙酸乙酯（EA）基電解液中，由于參與固態(tài)電解質(zhì)界面膜（SEI）形成的陰離子較少，即使在成膜添加劑存在的情況下，也無(wú)法鈍化低溫循環(huán)過(guò)程中析出的金屬鋰。EA與金屬鋰持續(xù)的劇烈反應(yīng)導(dǎo)致大量氣體生成以及 SEI和石墨體相結(jié)構(gòu)迅速衰退。

在高鹽EA基電解液中，豐富的陰離子和添加劑協(xié)同形成了致密且薄的SEI。這種富含 LiF ，無(wú)機(jī)主導(dǎo)的 SEI 有效地鈍化了低溫循環(huán)過(guò)程中析出的金屬鋰，抑制了低溫產(chǎn)氣行為，實(shí)現(xiàn)了低溫長(zhǎng)循環(huán)過(guò)程中極為穩(wěn)定的石墨-電解液界面。

全天候電動(dòng)汽車的發(fā)展能有效支撐交通運(yùn)輸領(lǐng)域的“脫碳”，鋰離子電池 (LIBs) 低溫下的高能量密度和長(zhǎng)壽命則是推動(dòng)全天候電動(dòng)汽車實(shí)用化的關(guān)鍵。電解液的性質(zhì)決定著鋰離子電池的低溫性能。使用高熔點(diǎn)碳酸乙烯酯基電解液的商用鋰離子電池低溫性能差，當(dāng)溫度低于?20°C，電池已無(wú)法正常工作。使用以羧酸酯為代表的低熔點(diǎn)溶劑（LTS）可以極大拓寬LIBs的低溫工作范圍。然而，使用LTS基電解液的鋰離子電池在低溫循環(huán)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量氣體。這些氣體對(duì)電極造成的附加應(yīng)力，造成電池循環(huán)壽命快速衰減。盡管產(chǎn)氣是鋰離子電池低溫循環(huán)快速失效的罪魁禍?zhǔn)字唬珰怏w產(chǎn)生的機(jī)制和相應(yīng)的抑制策略仍鮮有研究。該研究成果揭示了LTS和析出的Li在低溫下連續(xù)且劇烈的副反應(yīng)是電池低溫循環(huán)產(chǎn)氣的主要原因。該工作提出了一種基于EA的高鹽電解液體系，通過(guò)形成致密均勻的SEI有效地鈍化了析出的Li，杜絕了Li與EA的副反應(yīng)，從而抑制了電池的低溫產(chǎn)氣行為。基于該電解液策略，所得Ah級(jí)LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）/石墨軟包電池在?20°C, 0.2 C下實(shí)現(xiàn)了超過(guò)一年的穩(wěn)定長(zhǎng)循環(huán)。

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