吴忠帅研究员团队开发出适配商业钴酸锂的4.6 V快充、宽温运行电解液

tianliang

近日，我所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组（508组）吴忠帅研究员团队与德国德累斯顿工业大学冯新亮教授、中国科学技术大学余彦教授合作，基于多组分添加剂的协同效应，开发了一种具有普适性的新型“鸡尾酒电解液”，通过在正极和负极上协同形成稳定和快离子传输的电极/电解液界面，提升了商业钴酸锂（4.45V级别）的4.6V高电压和5C超快充性能，并能在宽温度范围（-20~45℃）内稳定运行。
        钴酸锂（LiCoO2，LCO）因其高的体积、重量能量密度而成为3C电子产品的主要正极材料。为了满足日益增长的消费需求，锂离子电池必须实现更高的能量密度、更长的循环寿命、更快的充电能力和更宽的工作温度范围。原则上可以通过提高充电截止电压来进一步提升电池的能量密度。然而，高压下电解液持续的氧化分解、不均匀正极-电解质界面（CEI）的过度生长和迟缓的界面动力学仍然是阻碍LCO实现高压、快充的关键问题。构建稳定、快速的离子传输电极/电解液界面是解决上述问题的理想途径。然而，迄今为止报道的最先进的电解质仍然无法兼顾高能量密度和快充性能，随着能量密度的增加，缓慢的界面动力学极大地限制了上述两个指标的同时实现。

        本工作中，研究团队开发的基于多组分添加剂协同的新型“鸡尾酒电解液”，可提升商业化LCO在4.6V高电压、超快充和宽温条件下的工作能力。团队利用多种表征手段证实了这种“鸡尾酒电解液”通过LiPF6、LiPO2F2、二氟代碳酸乙烯酯（DFEC）和氟代碳酸乙烯酯（FEC）等多组分之间的协同效应，在正极和负极表面分别形成薄且坚固的电极/电解液界面膜（正极CEI膜和负极SEI膜），富含LiF和Li3PO4的CEI和SEI表现出高的机械稳定性和离子电导率，有效缓解了正极表界面结构降解和界面副反应，并加速界面反应动力学，即使在高倍率下也能抑制负极侧锂枝晶的生长。因此，商业化LCO表现出优异的长循环稳定性、快充、倍率性能和宽温运行能力。研究发现，在5C超快充下经过1000次循环，容量保持率高达73.2%；石墨||LCO实用性软包电池在2000次循环后具有72.1%的容量保持率，展示出工业应用潜力。此外，团队还将基于多组分添加剂协同的电解液推广应用到其他先进的高镍和无钴正极，证明了该工作所开发的“鸡尾酒电解液”具有通用性和普适性，为发展高能量密度的快速充电电池提供了新的思路和策略。
        该成果以“Regulating electrode/electrolyte interfacial chemistry enables 4.6 V ultra-stable fast charging of commercial LiCoO2”为题，发表在《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）上。该工作的第一作者为我所508组博士研究生张安萍。上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、大连市高层次人才创新支撑计划、延长石油-大连化物所探索性科研项目基金等项目的资助。（文/图 张安萍）
        文章链接：https://doi.org/10.1039/D4EE00676C
        文章来源：大连化物所
      吴忠帅，男，汉族，1981年生于大连庄河。中共党员，博士，中国科学院大连化学物理研究所研究员。2004年和2007年在辽宁大学化学院分获理学学士和硕士学位；2011年在中科院金属研究所获工学博士学位，师从成会明院士和任文才研究员；2011年7月至2015年6月在德国马普高分子研究所从事博士后研究工作，合作导师著名化学家Klaus Müllen教授和冯新亮教授。2015年6月至今，中科院大连化学物理研究所工作，被聘为研究员、 “二维材料与能源器件（DNL21T3）”研究组组长。