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寬溫域電池可延長使用壽命寬溫域電解液可保證電池安全性

2021-06-21 11:20:11 來源：中國科學報

無人機可在江、浙、滬地區(qū)飛行1個小時左右，但在高原地區(qū)卻只能飛行幾十秒；在東北地區(qū)冬季或華南地區(qū)夏季，電動汽車耗電更快，行駛里程變短……這些現(xiàn)象的出現(xiàn)正是由于鋰離子電池耐候性差所致。

于是，科學家開始將研發(fā)重點聚焦在新一代寬溫域鋰離子電池有機電解質(zhì)體系上。近日，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員夏永高課題組在此方面取得重要進展。相關(guān)論文發(fā)表于《材料化學雜志A》和《能源存儲材料》上。

提出一種新概念

以往的鋰離子電池應(yīng)用范圍有限，主要集中在計算機、通信、消費類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。因此，其常規(guī)溫度在零下20℃至45℃便可以滿足需求。但現(xiàn)在不一樣了，電動工具、電動汽車及光伏電站等領(lǐng)域都“看中”了鋰離子電池。如果鋰離子電池僅限在常規(guī)溫度工作，顯然無法滿足當下需求。

夏永高告訴《中國科學報》，鋰離子電池若在零下20℃條件下工作，其放電容量僅為常溫的70%左右；若在超過60℃條件下工作，電池壽命將急速衰減。

鋰離子電池之所以出現(xiàn)這樣的情況有很多影響因素，如隔膜、電解液、電極等。于是，夏永高課題組篩選了多種隔膜、電極進行實驗，并選擇適合寬溫的隔膜與電極，進一步嘗試寬溫域電解液。

在這一過程中，研究人員提出通過在循環(huán)過程中調(diào)控溶劑和鋰鹽之間的競爭分解概念，使鋰二次電池在寬操作溫度窗口下形成穩(wěn)定界面膜，從而提升鋰金屬電池的循環(huán)穩(wěn)定性。

建立一個通用電解質(zhì)體系

為了驗證這一概念，需要建立一種簡單的通用電解質(zhì)體系。

夏永高介紹，他們以己二腈（ADN）為共溶劑，不但拓寬了電解液工作溫度窗口和電化學窗口，并且可以通過加入ADN分子調(diào)控碳酸乙烯酯（EC）溶劑分子和鋰鹽的分解。接著他們運用原位拉曼光譜、第一性原理計算和分子動力學模擬等手段，證明電解液中的溶劑化結(jié)構(gòu)會隨著溫度變化而發(fā)生巨大改變。

夏永高進一步解釋道，當溫度升高時，ADN分子參與溶劑化的數(shù)量基本保持不變，EC溶劑分子參與溶劑化的數(shù)量降低，電解液中TFSI-和ODFB-鋰鹽陰離子參與溶劑化的數(shù)量提高，即更多的鋰鹽陰離子能參與反應(yīng)，促進在電極表面生成致密無機界面膜，從而抑制溶劑分子的持續(xù)消耗，提升LiFePO4/Li、LTO/Li電池的寬溫電性能。

值得一提的是，LFP/Li電池在零下20℃至120℃范圍內(nèi)100次循環(huán)后容量基本無衰減，LTO/Li全電池可在零下40℃至150℃進行工作，且120℃可以穩(wěn)定循環(huán)超過1000次。

在此基礎(chǔ)上，研究人員通過溶劑—添加劑—鋰鹽的“雞尾酒式調(diào)控”，實現(xiàn)寬溫、高電壓、長循環(huán)電解質(zhì)體系的研制。

他們的方法是構(gòu)建一個含有更多無機成分的大尺寸溶劑化結(jié)構(gòu)。該獨特的溶劑化結(jié)構(gòu)可以促進富含無機組分的固體電解質(zhì)界面膜的形成，從而抑制電解液的持續(xù)消耗和鋰枝晶的生長，提高Li/Cu、Li/Li、Li/NCM523、Li/LiFePO4電池的寬溫性能。

“Li/LiFePO4電池在30℃下穩(wěn)定循環(huán)1000次以上，容量保持率為95.20%；當溫度升高到80℃時，電池在200次循環(huán)中沒有容量損失。”夏永高說。

他表示，寬溫域電池具有寬的工作溫度范圍和高的安全性，不懼怕嚴寒酷暑等嚴苛環(huán)境，可以進一步將電動汽車推廣至寒冷的北方地區(qū)，同時大幅度提升其在南方地區(qū)炎熱夏天的使用壽命。更為重要的是，寬溫域電解液具有阻燃性，進一步保證了動力電池的安全性。

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