科研進(jìn)展
青海鹽湖所在寬溫域鎂基鋰離子電池研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展?
中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究所溶液化學(xué)課題組李武、張波研究員團(tuán)隊(duì)在寬溫域鎂基鋰離子電池研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)電池正極界面進(jìn)行“烷基鏈搖曳”設(shè)計(jì)，成功統(tǒng)一了鋰離子電池高、低溫性能增強(qiáng)機(jī)制，電池寬溫域循環(huán)性能相較已報(bào)道工作有跨越式提升。
鋰離子電池的寬溫域性能，直接決定其在極端環(huán)境中的應(yīng)用表現(xiàn)。經(jīng)過(guò)數(shù)年探索，來(lái)自世界各地的研究者們最終形成共識(shí)，認(rèn)為正極界面過(guò)程是決定鋰離子電池寬溫域循環(huán)性能的關(guān)鍵所在。然而鋰離子電池在高溫和低溫下的循環(huán)性能增強(qiáng)機(jī)制存在巨大差異，技術(shù)路徑截然不同，使這項(xiàng)工作極具挑戰(zhàn)性。研究團(tuán)隊(duì)受自然界中動(dòng)物精子通過(guò)鞭毛擺動(dòng)改變自身周圍流場(chǎng)進(jìn)行移動(dòng)的現(xiàn)象啟發(fā)，在鋰離子電池正極界面上進(jìn)行“烷基鏈搖曳”設(shè)計(jì)，顯著促進(jìn)界面電解液流動(dòng)，正極固態(tài)電解質(zhì)界面膜得以快速形成，在能夠及時(shí)抵御高溫下電解液對(duì)正極材料的攻擊的同時(shí)，可加速低溫下高黏度電解液中的鋰離子傳輸，同步提升電池高低溫性能。
研究團(tuán)隊(duì)首先以Tween80為框架物質(zhì)構(gòu)建一種弱交聯(lián)柔性受限空間，電沉積獲得所需超細(xì)納米氫氧化鎂載體（D50=15 nm），并通過(guò)Tween80原位改性實(shí)現(xiàn)納米氫氧化鎂功能化。用所得材料對(duì)鋰電池三元正極材料（LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2）進(jìn)行表面修飾，并進(jìn)行電池組裝和性能測(cè)試。原位紅外分析表明，Li?與 Tween80 分子間存在持續(xù)的配位和解離過(guò)程，使Tween80 分子荷電狀態(tài)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，并在電場(chǎng)作用下發(fā)生連續(xù)的構(gòu)型轉(zhuǎn)變，亦即“烷基鏈搖曳”行為。烷基鏈搖曳使得納米氫氧化鎂在電池循環(huán)伊始就參與反應(yīng)，快速形成薄而致密的富鎂無(wú)機(jī)正極固態(tài)電解質(zhì)界面膜。這種膜熱穩(wěn)定性高、耐腐蝕性強(qiáng)，能夠有效抵御高溫電解液攻擊。而在低溫環(huán)境下，電解液通常會(huì)在正極表面積聚，并常因流動(dòng)性差而阻礙鋰離子傳輸。此時(shí)烷基鏈搖曳可顯著促進(jìn)電解液的界面流動(dòng)，兼之富鎂界面層具有優(yōu)異離子導(dǎo)電性，使鋰離子低溫傳輸變得非常順暢。研究結(jié)果表明，通過(guò)“烷基鏈搖曳”界面驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，鋰離子電池可在60℃穩(wěn)定充放電1000圈以上，同時(shí)保持70 mAh/g容量和90%以上庫(kù)侖效率。在-5℃和-15℃分別循環(huán)500圈、200圈后，容量仍能保持在80 mAh/g以上。該研究在配備熱管控系統(tǒng)后，電池實(shí)際寬溫域性能有望進(jìn)一步提升。
該研究結(jié)果以“Lithium-Ion Batteries with Superlong Cycle-Life in Wide Temperature Range via Interfacial Alkyl-Chain Sway”為題發(fā)表于材料學(xué)期刊Advanced Materials（影響因子27.4）。本項(xiàng)研究是在溶液化學(xué)課題組組長(zhǎng)李武研究員的領(lǐng)導(dǎo)下，由張波研究員團(tuán)隊(duì)完成，青海鹽湖所博士研究生黃金望為論文第一作者，葉秀深研究員和其他青海鹽湖所師生在本研究過(guò)程中提供了重要幫助。論文通訊作者為張波研究員和葉秀深研究員。本研究受益于青海鹽湖所老一輩科學(xué)家塑造的良好科研氛圍，并得到青海省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（2023-ZJ-758）和青海省“昆侖英才·高端創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才”計(jì)劃-領(lǐng)軍人才項(xiàng)目的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202500394
烷基鏈搖曳機(jī)理示意及電池長(zhǎng)循環(huán)性能對(duì)比
