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研究发现 电解液添加剂可使富镍层状阴极实现稳定高压循环

盖世汽车 刘丽婷 2022-06-06 17:40:35

盖世汽车讯 据外媒报道,由美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的化学家领导的一组研究人员表明,在常见的商业电解液中使用适量的二氟磷酸锂(LiPO2F2),可以实现具有超高终止电压4.8 V的富镍层状阴极材料。相关论文发表于期刊《Nature Energy》。

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图片来源:布鲁克海文国家实验室

这些发现可为解决富镍阴极材料的降解问题提供一种补救措施,尤其是在高电压条件下。该研究隶属于由DOE赞助的Battery500联盟,而该联盟由DOE的太平洋西北国家实验室(PNNL)领导,致力于显著提高电动汽车锂电池的能量密度。

石溪大学(Stony Brook University)博士生以及研究论文的共同第一作者Sha Tan与布鲁克海文实验室的电化学储能小组一起进行研究,最初是研究如何使用添加剂二氟磷酸锂来提高电池的低温性能。出于好奇,她尝试使用该添加剂在室温下进行高压循环。

结果发现,如果将电压提高到4.8 V,这种添加剂确实可以很好地保护阴极,并且使电池实现出色的循环性能。

当与锂金属阳极配对时,富镍层状阴极材料有望为下一代电池提供高能量密度。 但这些材料容易出现容量损失。主要问题之一是高压充放电循环期间的颗粒破裂。由于存储在电池中的总能量随着有用操作电压的增加而增加,因此高压操作很重要。

另一个问题是过渡金属从阴极溶解并随后沉积在阳极上。领导这项研究的布鲁克海文化学家Enyuan Hu称,这种现象在电池界被称为“串扰(crosstalk)”。在高压充电过程中,阴极晶格中的少量过渡金属溶解,然后穿过电解液,沉积在阳极侧。当这种情况发生时,阴极和阳极都会退化。结果就是电池容量保持能力差。

研究人员发现,在电解液中加入少量添加剂可以抑制串扰。随着添加剂的分解,它会产生磷酸锂(Li3PO4)和氟化锂(LiF),从而形成具有高度保护性的阴极-电解液界面,即在循环过程中在电池阴极上形成的固体薄层。

Enyuan Hu表示:“通过在阴极上形成非常稳定的界面,该保护层显著抑制了阴极表面的过渡金属损失。减少的过渡金属损失有助于减少这些过渡金属在阳极上的沉积。从这个意义上说,阳极也受到了一定程度的保护。我们认为,抑制过渡金属溶解是显著改善循环性能的关键因素之一。”

研究人员发现,电解液添加剂使富含镍的层状阴极能够在高电压下循环,以提高能量密度,并在200次循环后仍保持其初始容量的97%。

最近的研究表明,基于单晶的阴极在抑制颗粒裂纹形成方面可能优于多晶阴极。 然而,这项研究表明,使用添加剂工程也可以有效地解决多晶材料的开裂问题。

展望未来,研究人员希望在更具挑战性的条件下测试该添加剂,以探索阴极材料是否可以承受更多循环以供实际电池使用。

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