科研進展
青海鹽湖所利用正極界面“烷基鏈搖曳”實現(xiàn)寬溫域超長循環(huán)鋰離子電池制備?
青海鹽湖所溶液化學課題組李武、張波研究員團隊在寬溫域鎂基鋰離子電池研究領域取得新進展。研究團隊通過對電池正極界面進行“烷基鏈搖曳”設計，成功統(tǒng)一了鋰離子電池高、低溫性能增強機制，電池寬溫域循環(huán)性能相較已報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)境中的應用表現(xiàn)。經(jīng)過數(shù)年探索，來自世界各地的研究者們最終形成共識，認為正極界面過程是決定鋰離子電池寬溫域循環(huán)性能的關鍵所在。然而鋰離子電池在高溫和低溫下的循環(huán)性能增強機制存在巨大差異，技術路徑截然不同，使這項工作極具挑戰(zhàn)性。研究團隊受自然界中動物精子通過鞭毛擺動改變自身周圍流場進行移動的現(xiàn)象啟發(fā)，在鋰離子電池正極界面上進行“烷基鏈搖曳”設計，顯著促進界面電解液流動，正極固態(tài)電解質(zhì)界面膜得以快速形成，在能夠及時抵御高溫下電解液對正極材料的攻擊的同時，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。
研究團隊首先以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納米氫氧化鎂載體（D50=15 nm），并通過Tween80原位改性實現(xiàn)納米氫氧化鎂功能化。用所得材料對鋰電池三元正極材料（LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2）進行表面修飾，并進行電池組裝和性能測試。原位紅外分析表明，Li?與 Tween80 分子間存在持續(xù)的配位和解離過程，使Tween80 分子荷電狀態(tài)發(fā)生動態(tài)變化，并在電場作用下發(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，快速形成薄而致密的富鎂無機正極固態(tài)電解質(zhì)界面膜。這種膜熱穩(wěn)定性高、耐腐蝕性強，能夠有效抵御高溫電解液攻擊。而在低溫環(huán)境下，電解液通常會在正極表面積聚，并常因流動性差而阻礙鋰離子傳輸。此時烷基鏈搖曳可顯著促進電解液的界面流動，兼之富鎂界面層具有優(yōu)異離子導電性，使鋰離子低溫傳輸變得非常順暢。研究結(jié)果表明，通過“烷基鏈搖曳”界面驅(qū)動設計，鋰離子電池可在60℃穩(wěn)定充放電1000圈以上，同時保持70 mAh/g容量和90%以上庫侖效率。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，電池實際寬溫域性能有望進一步提升。
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)表于材料學期刊Advanced Materials（影響因子27.4）。本項研究是在溶液化學課題組組長李武研究員的領導下，由張波研究員團隊完成，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家塑造的良好科研氛圍，并得到青海省科技廳應用基礎研究項目（2023-ZJ-758）和青海省“昆侖英才·高端創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才”計劃-領軍人才項目的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202500394
烷基鏈搖曳機理示意及電池長循環(huán)性能對比
