UNIST团队开发出新型电解质添加剂 可用于高能量密度锂离子电池

据外媒报道,韩国蔚山国立科学技术学院(UNIST)的研究人员开发出一种新型电解质添加剂,可以使高能量密度锂离子电池在400次循环后,仍保持其初始容量的81.5%。与商用添加剂相比,如FEC(碳酸氟代亚乙酯)或VC(碳酸亚乙烯酯),该添加剂可提高性能10%至30%。

通过使用电解质添加剂,可生成固体电解质中间相(SEI),它是阳极与电解质相互作用以及延长锂离子电池寿命的关键。而传统固体电解质相间添加剂,如VC和FEC,无法在延长高能量密度锂离子电池(LIB)寿命的同时快速充电。

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(图片来源:Nature Communications)

报道称,新方法允许由氟化和甲硅烷基化的电解质添加剂形成高度稳定的电极-电解质界面结构,不仅可以承受由于锂嵌入阳极引起的体积膨胀,还可提供离子通道方便锂离子传输,同时还保护富镍的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2阴极。该种添加剂可通过VC的乙烯基聚合物扩散为VC衍生的固体电解质中间相提供空间柔性。

随着电动车大容量电池的需求不断增加,研究人员积极开展对高容量材料(如硅和高镍)的研究,希望可以取代商用锂离子电池中的电极材料。然而,电池充电和放电时,硅阳极体积会扩大三倍,甚至更大,导致电池机械耐久性较弱,而高镍阳极的化学机械性质也极不稳定。

在硅混合阳极的表面上,由新二氧戊酮添加剂制成的保护膜柔性较高,且具有良好的弹性以及出色的锂离子渗透性(迁移率),从而可以实现快速充电的同时,减少由于硅体积变大引起的机械过载。

此外,在VC支架中加入碳酸二甲基亚乙烯基酯-三氟甲氧基(DMVC-OCF3)和DMVC-OTMS(三甲基硅氧)可以在硅-碳阳极上形成灵活且坚硬SEI。DMVC-OTMS清除HF(氢氟酸)并使PF5失活,从而稳定电极上界面层的组成和结构。键合到VC支架上的Me(-CH3)可提供离子通道,为SEI中的锂离子运输提供空间。另外,该添加剂可在电解质中去除HF,防止高镍阳极内的金属(镍)泄漏。其中,阳极内部的金属量决定电池容量。

论文通讯作者Nam-soon Choi教授表示:“此次发现是材料结构设计、实验、模拟和合成方法研究的共同结果,可弥补现有添加剂(VC)的缺点,并为其发展开辟出新方向。”