10月19日,東京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種新型鋰離子電池。該電池采用無(wú)鈷材料作為正極,硅氧化物作為負(fù)極,能夠達(dá)到4.9伏的最大電壓,并首次實(shí)現(xiàn)了1000次充放電循環(huán)的穩(wěn)定性。這一重大進(jìn)展得益于其獨(dú)特的電解質(zhì)設(shè)計(jì)策略。該設(shè)計(jì)提升了負(fù)極的反應(yīng)電位,有助于形成堅(jiān)固的鈍化層,并提高電解液還原和氧化穩(wěn)定性。
鋰化/脫鋰電位的提高和鈍化層的形成是電解質(zhì)設(shè)計(jì)和電池開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。LiNi0.5Mn1.5O4作為無(wú)鈷正極材料,具有高工作電位(平均4.7伏)和較高理論比容量(每克147毫安時(shí))的優(yōu)點(diǎn)。然而,LiNi0.5Mn1.5O4在高電位下會(huì)引起電解液氧化、鋁陽(yáng)極腐蝕和正極材料中過(guò)渡金屬溶出等問(wèn)題。SiOx作為負(fù)極材料,具有理論比容量高(每克1965~4200 毫安時(shí))、成本低和儲(chǔ)量豐富的優(yōu)勢(shì)。然而,其在充放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生大幅度的體積變化(高達(dá)200%),導(dǎo)致負(fù)極顆粒和表面鈍化層破壞,從而加速電解液降解。
為解決上述問(wèn)題,研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化電池系統(tǒng)的整體電位圖,設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的電解液結(jié)構(gòu),即濃度為3.4摩爾每升的LiFSI/FEMC (LiN(SO2F)2 /methyl (2,2,2-trifluoroethyl) carbonate)。在該設(shè)計(jì)中,絕大多數(shù)鋰離子與FSI-陰離子緊密結(jié)合,構(gòu)成了致密的離子對(duì)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)破壞了電解液中鋰離子的穩(wěn)定性,從而使負(fù)極反應(yīng)的電勢(shì)增加,降低了電解液還原的可能性。通過(guò)FSI-陰離子在負(fù)極表面的分解,成功形成了一個(gè)富含無(wú)機(jī)物的堅(jiān)固鈍化層。該鈍化層不僅高效地傳導(dǎo)鋰離子,而且機(jī)械和化學(xué)均表現(xiàn)出強(qiáng)穩(wěn)定性,有效地抑制了電解液在負(fù)極表面的進(jìn)一步降解。為了提高正極反應(yīng)的電勢(shì)并增強(qiáng)電解液的氧化穩(wěn)定性,團(tuán)隊(duì)還加入了含氟溶劑FEMC。該溶劑降低了對(duì)鋰離子和鋁陽(yáng)極的侵蝕,有效地減緩了正極材料中的過(guò)渡金屬的溶出速度。
該研究為鋰離子電池的持續(xù)高效發(fā)展提供了新的方向,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和綠色電極材料的利用,并有望擴(kuò)展至其他電化學(xué)能源領(lǐng)域。相關(guān)的研究成果已發(fā)表在《Nature Sustainability》期刊中。
原標(biāo)題:東京大學(xué)研發(fā)一種新型無(wú)鈷鋰離子電池