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為了滿足現(xiàn)今電動汽車、特種設(shè)備等對儲能設(shè)備的更高需求，設(shè)計具有高能量密度和長循環(huán)壽命的鋰離子電池極其重要。超快充（XFC）以及低溫性能對于高性能鋰離子電池的設(shè)計極其重要。設(shè)計新型電解質(zhì)、改善正極/電解質(zhì)界面反應(yīng)層(CEI)的Li⁺輸運、提高氧化物多晶正極材料二次顆粒的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，是解決鋰離子電池的超快充和低溫下，容量快速衰減的有效途徑。

基于此，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院長聘副教授楊文課題組在國際著名期刊Advanced Materials發(fā)表題目為“Colloid Electrolyte with Changed Li⁺ Solvation Structure for High-Power, Low-Temperature Lithium-Ion Batteries”的研究論文。 楊文課題組將硫代碳酸鋰(LTC)作為添加劑添加到商業(yè)上電解液（LE），形成具有丁達爾現(xiàn)象的膠體電解質(zhì)（CLE）。在膠體電解質(zhì)中，LTC可與PF₆^-陰離子、有機溶劑之間存在強相互作用；一方面，LTC削弱LiPF₆電解質(zhì)的陰陽離子間的靜電吸引，實現(xiàn)了電解液在室溫和低溫情況下的高離子電導(dǎo) (σ_Li⁺ 15 to 4.5 mS cm-1 at 30 and -20 oC)，另一方面，LTC 與溶劑的強相互作用，鋰離子在嵌入正極材料之前的去溶劑化過程，從而實現(xiàn)改善正極界面鋰離子輸運的目的。此外，由于LTC具有更高的HOMO能級，其易于在多晶的高比能氧化物NCA正極材料的二次顆粒內(nèi)部，生成具有優(yōu)良機械力學(xué)性能的、超薄（5nm）Li₂CO₃主導(dǎo)致密CEI層。該Li₂Co₃主導(dǎo)CEI層存在于NCA一次顆粒晶界中，可有效解決，由于LE滲透NCA二次內(nèi)部導(dǎo)致的晶間裂紋產(chǎn)生。由于CLE電解質(zhì)的上述優(yōu)點，CLE組裝Li/NCA電池，可實現(xiàn)超級快充和低溫充放電，其可在10 C的高倍率下循環(huán)2000圈，容量保持率為80%。上述電池可在-10 ℃低溫下，實現(xiàn)2 C快充，并實現(xiàn)保持長循環(huán)，電池低溫循環(huán)400圈，容量保持率為90%。膠體電解質(zhì)策略將為XFC 和低溫離子電池的正極界面構(gòu)筑提出新的思路。

膠體電解質(zhì)增強有機電解質(zhì)的Li⁺鋰離子電導(dǎo)率

圖1 (a) LTC 添加劑的合成示意圖，(b) 膠體電解質(zhì)的丁達爾現(xiàn)象，(c-d) 商電解質(zhì)和膠體電解質(zhì)的拉曼光譜圖，(e) 液體電解質(zhì)中和膠體電解質(zhì)不同組分的占比，(f) 不同電解質(zhì)的核磁⁷Li譜，(g) 不同濃度LTC 膠體電解質(zhì)的核磁¹⁹F譜，(h)商業(yè)電解質(zhì)和膠體電解質(zhì)組裝Li/NCA電池在70 ℃下循環(huán)的庫倫效率, (i) 不同濃度的LTC與電導(dǎo)率關(guān)系圖。

Li₂CO₃ 主導(dǎo)超薄CEI滲透到NCA一次顆粒晶界內(nèi)部，減少NCA二次晶間裂紋

圖2 基于 (a) CLE-1和 (b) LE-1電解液的電池在循環(huán)后NCA正極經(jīng)聚焦離子束切片后的掃描電子顯微圖, (c-e) 基于CLE-1和 (f-h) LE-1電解液的電池循環(huán)后NCA正極在不同放大倍率下的透射電子顯微圖 (分別包含LiF和Li₂CO₃晶格的傅里葉變換圖和對比度曲線圖), 基于 (i) CLE-1 和 (j) LE-1電解液的電池在循環(huán)后NCA正極的原子力顯微圖, (k) 原子力顯微測試收集到的相應(yīng)楊氏模量, (i-m) 兩種電解液環(huán)境下NCA顆粒結(jié)構(gòu)演化示意圖。

鋰電池的XFC 和低溫性能

圖3 使用不同電解質(zhì)電池的倍率性能。 (b) Li | | NCA電池在0.2C和-20℃下的循環(huán)性能。(c) 10C下電池的長循環(huán)性能。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202209140