研究團隊開發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用范圍。

高壓氟化電解液體系在電極電解液界面的表現、DFT計算以及全電池循環性能

高壓氟化電解液體系在電極電解液界面的表現、DFT計算以及全電池循環性能

當前鋰離子電池由于其出色的電化學性能廣泛應用于電動汽車,正極材料是影響鋰離子電池性能的關鍵因素之一,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,傳統的碳酸酯基電解液無法適配高壓電池體系,而且三元正極材料在高電壓下會發生各種副反應,最終導致體系劣化、容量衰減。

中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員武建飛團隊,多年來深耕正極材料及高性能電解液領域(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 49666;ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 12264),近期在高電壓電解液體系開發應用方面取得關鍵性進展,相關研究成果發表于《化學工程雜志》(Chemical Engineering Journal)。

研究團隊開發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用范圍,解決了兩個重要問題: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構相變、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性能;構建了穩定的CEI和SEI,實現高負載量高鎳三元體系電池在高電壓下的可逆穩定循環。其中Li||NCM811半電池在4.6V工作電壓下可以展現出247.2 mAh g-1的高比容量,81.4%的循環容量保持率(0.5C 200圈)和154.5 mAh g-1的高倍率比容量(5C)。同時,石墨|| NCM811全電池在4.6 V循環100圈后仍然保留185.7 mAh g-1的高比容量。

通過密度泛函理論(DFT)計算系統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分子軌道(HOMO),從而提高了電解液的氧化電位。在該體系中,正極表面的氟代溶劑(-F)如 TFA 和 FEC 具有較低的HOMO能級,從而獲得較高的氧化電位,有助于形成均勻的CEI膜。在負極表面,LiDFOB、FEC 和 TFA 的LUMO較低,通過協同作用在負極側還原形成均勻的SEI膜,進一步穩定電池性能。通過SEM、XPS等系列表征,進一步證實,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,為設計開發高能量密度鋰離子電池提供了新的思路和途徑。

[責任編輯:陳語]

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