雙碳電池瓶頸獲得新進(jìn)展 庫倫效率提升了14%

1月18日，記者從中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所獲悉，該所陰離子選擇透過性聚合物電解質(zhì)解決雙碳電池瓶頸取得新進(jìn)展。相關(guān)結(jié)果近日發(fā)表在《先進(jìn)材料》期刊上，論文共同第一作者為該所在讀博士姜虹竹和韓曉琪、杜曉璠。

基于陰離子(脫)嵌入石墨正極的雙離子電池因其成本低，工作電壓高和輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，有望在下一代大規(guī)模儲能設(shè)備中廣泛應(yīng)用。目前，雙離子電池中使用的電解液以碳酸酯類電解液為主，這類溶劑難逃高電壓的“魔爪”，極易在正極/電解液界面處氧化分解，降低了電池的庫倫效率(<90%)和循環(huán)穩(wěn)定性。除此之外，還有一個(gè)瓶頸問題——溶劑共嵌，即在充電過程中，由于陰離子和溶劑之間存在氫鍵相互作用，溶劑會跟隨陰離子共嵌于石墨層間。這種共嵌入行為易導(dǎo)致石墨結(jié)構(gòu)剝離和溶劑的氧化分解，嚴(yán)重影響電池的壽命，阻礙了雙離子電池的商業(yè)化進(jìn)程。

目前，提升雙離子電池循環(huán)性能的報(bào)道主要是通過構(gòu)筑物理阻隔層來抑制電解液的氧化分解，專門研究陰離子-溶劑共嵌入行為及解決方法的工作卻鮮有報(bào)道。

近幾年，該所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心在雙離子電池高電壓界面問題以及抗氧化電解液研究等科學(xué)領(lǐng)域深入鉆研，初步取得了有影響力的研究進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)在鈦酸鋰包覆石墨的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)物理涂覆層可以阻擋溶劑嵌入，那么，能否找到簡單高效且主動(dòng)抑制溶劑共嵌的方法?在深入調(diào)查陰離子-溶劑配位關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出了通過調(diào)控陰離子溶劑化結(jié)構(gòu)，以弱化陰離子與溶劑的相互作用和促進(jìn)陰離子去溶劑化的最根本的解決方案。

該中心受到生物細(xì)胞膜的選擇透過性功能的啟發(fā)，首次設(shè)計(jì)了一種具有“陰離子選擇透過性”的聚合物電解質(zhì)。該電解質(zhì)由兩種分別含有季銨鹽陽離子基團(tuán)的單體(MTMA-PF6)和環(huán)狀碳酸酯基團(tuán)的單體(CUMA)原位聚合而成，有效地抑制了溶劑共嵌和電解液的氧化分解，維持了循環(huán)過程中石墨結(jié)構(gòu)完整性，進(jìn)而大幅度提升了電池的循環(huán)穩(wěn)定性和庫倫效率。

通過光譜表征和理論計(jì)算證明，季銨鹽陽離子基團(tuán)可以與陰離子形成強(qiáng)靜電作用，參與了陰離子的溶劑化結(jié)構(gòu)，進(jìn)而減弱陰離子和碳酸酯溶劑的相互作用，并在陰離子嵌入石墨過程中“錨定”溶劑分子，促進(jìn)陰離子去溶劑化。V型管滲透試驗(yàn)和XPS刻蝕等方法證明了聚合物骨架有效抑制了溶劑共嵌和分解。特別值得強(qiáng)調(diào)的是，CUMA單體有助于提高界面兼容性，構(gòu)筑了一層牢固的有機(jī)無機(jī)復(fù)合界面層，對提高電解液穩(wěn)定性和電池長循環(huán)性能起到協(xié)同作用。

得益于聚合物設(shè)計(jì)策略的合理性，在截止電壓5.4V和2C的條件下，電池循環(huán)2000圈，容量保持率為87.1%，平均庫倫效率高達(dá)99%，經(jīng)過多年技術(shù)革新，雙碳電池庫倫效率提升了14%。此研究為雙離子電池電解液的開發(fā)和陰離子-溶劑共嵌入的問題提供了新的解決思路。(科技日報(bào)記者 王健高 通訊員 劉佳)

關(guān)鍵詞： 電池壽命 雙碳電池 瓶頸 庫倫效率