一种新型硼酸锂盐作为高电压锂离子电池的添加剂

随着清洁能源应用的日益扩大和对电动汽车需求不断增长,锂电池储能技术已经不能满足人们日常需求,因此,开发高性能锂电池成为当前迫切目标。提升电池的能量密度可以通过增加电池容量和提高电池电压的方式来解决,其中,高电压尖晶石型镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4, LNMO)正极获得了研究人员的极大关注。LNMO的工作电压可以达到4.7 V以上,同时,此类正极材料也更加经济环保。得益于其独特的三维孔道结构,锂离子在LNMO内可以快速进出从而加快电池充放电速率。然而,传统电解液在高电压极易发生严重的氧化反应从而导致巨大的第一圈不可逆容量和不断加厚的固体电解质界面膜(SEI)。因此,开发长循环寿命,高容量,高倍率的LNMO正极材料仍然充满了挑战。

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针对这一问题,美国橡树岭国家实验室/田纳西大学的孙晓光研究员,戴胜教授及博士生李运超等人最近在Advanced Energy Materials期刊上发表了一篇:“A Novel Electrolyte Salt Additive for Lithium-Ion Batteries with Voltages Great than 4.7V”的研究报告,介绍了一种有效提升LNMO高电压正极材料性能的电解液添加剂Lithium bis(2-methyl-2-fluoromalonato)borate (LiBMFMB)。电解液添加剂是电池里不可或缺的一部分,通过其少量的添加,可以在电池的正负极表面形成更加稳定的SEI。实验表明,通过在传统电解液里添加0.05M LiBMFMB可以使LNMO的半电池在1C速率的条件下经过100圈充放电循环后容量衰减从未添加时的42.18%下降为13.5%。于此同时,循环伏安曲线显示含有添加剂的电池在第一圈就可以形成稳定的SEI膜,然而无添加剂的电池需要更多圈循环以后才形成有效的SEI。XPS显示LiBMFMB可以降低LiPF6的分解,从而形成更薄的SEI。此外,在石墨和LNMO组成的全电池中0.05 M LiBMFMB可以使首次库伦效率达到90.4%, 然而无添加剂的全电池首次库仑效率只有66.8%。 此项研究为今后大规模应用高电压尖晶石型镍锰酸锂奠定了基础,通过添加少量的LiBMFMB可以低成本并有效的改善LNMO的性能。当前,此类电解液添加研究正在进行。相关论文近期发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201601397)上。