中科院青岛能源所开发出基于电解液改性的高性能富锂锰基正极材料新体系

2020-06-08 14:42:02 来源: 科技日报 作者: 王健高

科技日报记者 王健高 通讯员 宋德朋 刘佳

6月8日,记者从中国科学院青岛生物能源与过程研究所获悉,该所武建飞研究员带领的先进储能材料与技术研究组独辟蹊径以电解液为出发点,成功设计开发出一种适用于富锂锰基正极材料的高性能电解液。

武建飞表示,应用此电解液可以大幅度提升富锂锰基正极材料的循环寿命,同时很好的抑制循环过程中的电压平台衰降。该电解液的开发有望实现高比容量富锂锰基锂离子电池的商业化应用。

现阶段车用动力型锂电池的正极材料,如磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰三元材料能量密度普遍偏低,严重限制了纯电动汽车的续航里程。富锂锰基正极材料具有高比容量(超过250 mAh·g-1)、高工作电压、热稳定性好、低成本等优点,可以达到国家规划的未来动力电池能量密度目标,是一种非常有潜力的动力型正极材料。但是其首效低、循环性能和倍率性能差、电压衰降、无相匹配高压电解液等缺点阻碍了其实际应用。

针对富锂锰基正极材料存在的问题,武建飞研究员带领的先进储能材料与技术研究组成功开发出基于电解液改性的高性能富锂锰基正极材料新体系。

图1.富锂锰基正极材料在高性能电解液中的电化学性能图 宋德朋 供图

武建飞介绍,该电解液是一种基于氟代溶剂和双锂盐电解质的高性能电解液,对富锂锰基正极材料表现出高匹配兼容性,大幅度提升富锂锰基正极材料的电化学性能,富锂锰基正极材料首次放电比容量从267mAh·g-1提升到297mAh·g-1(图1A);循环寿命大幅提升,在0.5C倍率下经过500次充放电循环后容量保持率高达88%(普通商业化电解液0.5C倍率下循环500次容量保持率低于50%),在0.2C倍率下经过200圈循环后容量保持率可达98.6%(图1B);能够提高放电平台电压且对抑制循环过程中的电压衰降表现出色,经过100圈循环后电压衰降仅120mV(图1C);此外倍率性能也获得极大地提升,2C倍率下放电比容量接近200mAh·g-1(电动汽车启动电流2C,巡航电流0.3C)(图1D)。研究人员发现优异电化学性能的实现主要得益于氟代溶剂和含氟锂盐在富锂锰基正极材料表面形成一层保护膜起到稳定正极材料结构的作用,抑制电解液的分解对正极材料造成的腐蚀;同时会在负极表面形成稳定的保护膜,改善循环稳定性,从而大幅提高富锂锰基正极材料的电化学性能。该电解液对于提升富锂锰基正极材料的循环寿命和抑制电压衰降效果显著,为富锂锰基正极材料的改性研究提供了新的思路。

图2.经过电解液改善后富锂锰基正极材料和磷酸铁锂(LiFeO4),三元材料(NCM811)材料的综合性能对比 宋德朋 供图

该研究为获得高比能富锂锰基锂电池提供了一种简便而高效的方法。即:不需要对富锂锰基材料本体进行任何处理,直接通过电解液一步法改性就可以实现富锂锰基正极材料电化学性能的综合提升,方法简便有效且便于实现商业化生产。富锂锰基材料经过电解液的改善后,综合性能相比三元材料和磷酸铁锂都具有很大的优势(图2),超高的能量密度更加满足人们对长续航动力电池的需求,同时兼具了优异的热稳定性,不易起火爆炸,循环寿命和倍率性能的综合提升表现出优异的电化学性能,不仅满足3C电子产品用电池甚至适用动力电池,较低的成本在与其他正极材料竞争中优势更加凸显,这将大大加速富锂锰基正极材料走向商业化的步伐,也为设计具有更高比能量动力电池提供了新的选择。

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责任编辑:张爽