科研人員在下一代高能鋰電池電解液和黏結劑領域獲進展

市場和消費者對電動汽車和攜帶型電子產品的續航里程的高度關注，驅動著鋰離子電池能量密度的不斷提升。提升鋰離子電池能量密度最常用的策略是開發新型高電壓高容量正極材料（如鎳錳酸鋰、高電壓鈷酸鋰、高電壓三元材料等）或高容量的負極材料（如硅碳材料）。但是，這些新型電極材料與傳統電解液、黏結劑的兼容性差，難以形成穩定的界面，成為制約下一代高能鋰離子電池的商業化進程瓶頸問題之一。依託中國科學院青島生物能源與過程研究所建設的青島儲能產業技術研究院將下一代高能鋰離子電池及其配套電解液和黏結劑的研究作為主攻研究領域之一。

眾所周知，電解液是鋰離子電池的「血液」，高性能電解液的開發及電極/電解液界面形成機制的研究將極大地提高下一代高能鋰離子電池的性能。受傳統中醫藥方和西醫「藥物協同聯用」思想的啟發，青島儲能院深入發展「電解液功能添加劑協同聯用」策略，實現大幅提升下一代高能鋰離子電池性能目標，如高電壓鈷酸鋰/石墨全電池體系（Energy Technology, 2017, 5, 1979-1989）和5V高電壓鎳錳酸鋰/石墨全電池體系（Advanced Energy Materials, 2018, 8, 1701398）。 這些研究工作雖然對添加劑的協同作用機製做出了具有指導性的解釋，但局限於非原位技術手段表徵，可能無法反映出電極/電解液界面反應的真實狀態。近年來，原位表徵技術的發展為高性能電解液的開發及電極/電解液界面形成機制的研究注入了新的活力。氣體是電極/電解液界面反應的重要產物，確定氣體產物並結合界面固態產物表徵分析將實現對電極/電解液界面反應的有效解析，而原位差分電化學質譜法（in-situ DEMS）因能夠實時監測定量電池在不同電位下的產氣行為而備受關注（圖1a）。青島儲能院採用in-situ DEMS（Hiden, HPR-20和HPR-40）和理論計算相結合的方法，研究電解液添加劑對高容量硅碳負極中電解液/電極界面反應的影響（圖1b-d），並成功構建5V高電壓鎳錳酸鋰/硅碳全電池體系，這對電解液功能添加劑的發展和界面研究的深入具有重要指導意義，相關工作以Tracing the Impact of Hybrid Functional Additives on a High-Voltage (5 V-class) SiOx-C/LiNi0.5Mn1.5O4Li-ion Battery System為題目發表於Chemistry of Materials(2018, 30, 8291-8302)。另外，青島儲能院還自主開發新型具有大陰離子結構的全氟叔丁氧基三氟硼酸鋰（LiTFPFB）作為電解液主鹽（Chemical Science）。

鋰離子電池電極中黏結劑用量非常少，卻起關鍵作用，但在研究中容易被忽視。聚偏氟乙烯（PVDF）是正極材料最常用的黏結劑。近年來研究發現，PVDF在高電壓工作條件下不穩定，是下一代高能鋰電池性能衰減的一個重要原因。青島儲能院採用含有大量苯酚基團的可再生木質素作為新型功能黏結劑用於5V高電壓鎳錳酸鋰正極材料，該新型正極材料的循環性能得到大幅提高。經充分的實驗論證發現，木質素黏結劑中的苯酚基團可以消除電解液中的自由基並終止自由基的鏈式反應，從而抑制電解液的氧化分解，構建高穩定性的電解液/電極界面，該工作對高電壓正極材料黏結劑的開發具有里程碑式的指導意義，相關工作以A biomass based free radical scavenger binder endowing a compatible cathode interface for 5 V lithium-ion batteries為題目在線發表於Energy & Environmental Science(2018, DOI: 10.1039/c8ee02555j)。

青島儲能院在下一代高能鋰離子電池及其配套電解液和黏結劑的研究領域所取得的成績得到國際同行的高度認可，應邀撰寫關於5V高電壓鎳錳酸鋰電池的綜述（Chemistry of Materials, 2016, 28, 3578-3606）；電解液阻燃劑的綜述（儲能科學與技術,2018, 6(7), 1040-1059）；關於高電壓鈷酸鋰電池的綜述（Chemical Society Reviews, 2018, 47, 6505-6602）；關於三元正極材料聚合物電解質的綜述（Electrochemical Energy Reviews, 2018, 已接收）；關於高性能黏結劑的綜述（Energy Storage Materials, 2018）一系列文章。

相關係列研究獲得國家自然科學基金傑出青年科學基金、國家重點研發計劃、中科院納米先導專項、青島市儲能行業科學研究智庫聯合基金、國家自然科學基金青年科學基金、山東省自然科學基金、青島能源所「一三五」項目等的大力資助。

青島能源所在下一代高能鋰電池電解液和黏結劑領域取得進展

青島能源所在下一代高能鋰電池電解液和黏結劑領域取得進展

來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所

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