中國科學(xué)院青海鹽湖研究所研究員李武、張波團(tuán)隊(duì)在寬溫域鎂基鋰離子電池研究領(lǐng)域取得進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)電池正極界面進(jìn)行“烷基鏈搖曳”設(shè)計(jì)，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)道工作有了大幅提升。
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)。過往研究形成共識(shí)，認(rèn)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(guān)鍵所在。但由于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，這項(xiàng)工作仍極具挑戰(zhàn)性。
研究團(tuán)隊(duì)以吐溫80（Tween80）為框架物質(zhì)構(gòu)建了一種弱交聯(lián)柔性受限空間，采用電沉積獲得了所需超細(xì)納米氫氧化鎂載體（D50=15 nm），并通過Tween80原位改性實(shí)現(xiàn)納米氫氧化鎂功能化。研究人員用所得材料對(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，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。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順暢。
研究結(jié)果表明，通過“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。此外，研究發(fā)現(xiàn)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。
相關(guān)研究成果以Lithium-Ion Batteries with Superlong Cycle-Life in Wide Temperature Range via Interfacial Alkyl-Chain Sway為題，發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到青海省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、青海省“昆侖英才·高端創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才”項(xiàng)目的支持。
論文鏈接
烷基鏈搖曳機(jī)理示意及電池長(zhǎng)循環(huán)性能對(duì)比
本文鏈接：寬溫域鎂基鋰離子電池研究取得進(jìn)展http://www.sq15.cn/show-12-1172-0.html
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