Advanced Energy Materials:用于宽温度范围高压快充锂离子电池的新型电解液

随着锂离子电池应用范围的扩展,尤其是在电动汽车及储能电网等领域的应用,人们对其能量密度、循环性能、倍率性能以及高低温性能等方面的要求越来越高。高镍层状氧化物正极材料(LiNixMnyCo1−x−yO2,x≥80%)由于含有更多的Ni2+/Ni4+氧化还原对以及较低的Co含量,因此兼具了高容量和低成本等优势,成为下一代动力电池正极材料的首选之一。然而,随着镍含量的增多,虽然容量得以提升,但是其循环性能和安全性能却随之逐渐恶化,特别是在高电压和高温下,Ni4+极易与传统的基于LiPF6的电解液发生副反应,严重影响其电化学性能。因此,亟需开发能够为高电压循环下的高镍正极材料提供保护、同时与石墨负极有很好兼容性的新型电解质,从而实现高镍正极材料在高压锂离子电池中的实际应用。

大量研究表明,局域高浓电解液(Localized High-Concentration Electrolyte,LHCE)不仅有助于锂金属电池实现高电压(≥4.4 V)下的稳定循环,而且与石墨和石墨/硅负极具有良好的兼容性。据此,美国太平洋西北国家实验室的许武博士团队开发了三种基于LiFSI盐,DMC主溶剂,EC或VC添加剂,以及TTE稀释剂的LHCEs。分子动力学模拟表明TTE的加入并没有影响锂盐与主溶剂或添加剂之间的溶剂化结构。通过与传统的LiPF6/EC-EMC+2%VC电解液对比发现,在三种LHCEs中所形成的电极/电解质界面(SEI/CEI)膜具有更薄、更均匀、更坚固、以及更高离子导电性等优点。此外,LHCEs中形成的CEI膜能够有效抑制过渡金属元素的溶出,有利于高镍正极材料在高电压循环过程中保持结构稳定性。得益于这些优异特性,采用LHCEs的Gr||NMC811锂离子电池在4.4 V高充电电压下的循环性能、低温放电性能以及倍率性能都远优于基于LiPF6的传统电解液。此外,得益于少量EC与Li+的强络合作用,采用LiFSI-DMC/EC-TTE的Gr||NMC811电池表现出最佳的综合电化学性能(2.5-4.4 V)¾ 25°C循环600圈容量保持率高达94.2%;60°C循环100圈容量保持率为94.9%;-30°C和C/5放电情况下容量保持率可达85.6%(相对于25°C放电);同时,在3C高倍率下保持优异的快充和快放性能。相对于LiPF6电解液,虽然LHCEs的电导率更低、黏度更大,但采用LHCEs的锂离子电池的低温放电性能和高倍率充/放电性能都更加优异。这表明,在电池的实际充放电过程中,电极/电解质界面膜的性质是决定锂离子电池快速充/放电能力以及低温行为的主要因素,而非电解质本身的电导率及黏度。这项工作为开发适用于宽温度范围、高压和快充锂离子电池的新型电解液提供了新的有效思路。

相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.202000368)上。