寬溫域電池可延長使用壽命 寬溫域電解液可保證電池安全性

來源:中國科學(xué)報(bào)

無人機(jī)可在江、浙、滬地區(qū)飛行1個(gè)小時(shí)左右,但在高原地區(qū)卻只能飛行幾十秒;在東北地區(qū)冬季或華南地區(qū)夏季,電動(dòng)汽車耗電更快,行駛里程變短……這些現(xiàn)象的出現(xiàn)正是由于鋰離子電池耐候差所致。

于是,科學(xué)家開始將研發(fā)重點(diǎn)聚焦在新一代寬溫域鋰離子電池有機(jī)電解質(zhì)體系上。日,中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員夏永高課題組在此方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)論文發(fā)表于《材料化學(xué)雜志A》和《能源存儲(chǔ)材料》上。

提出一種新概念

以往的鋰離子電池應(yīng)用范圍有限,主要集中在計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。因此,其常規(guī)溫度在零下20℃至45℃便可以滿足需求。但現(xiàn)在不一樣了,電動(dòng)工具、電動(dòng)汽車及光伏電站等領(lǐng)域都“看中”了鋰離子電池。如果鋰離子電池僅限在常規(guī)溫度工作,顯然無法滿足當(dāng)下需求。

夏永高告訴《中國科學(xué)報(bào)》,鋰離子電池若在零下20℃條件下工作,其放電容量僅為常溫的70%左右;若在超過60℃條件下工作,電池壽命將急速衰減。

鋰離子電池之所以出現(xiàn)這樣的情況有很多影響因素,如隔膜、電解液、電極等。于是,夏永高課題組篩選了多種隔膜、電極進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并選擇適合寬溫的隔膜與電極,進(jìn)一步嘗試寬溫域電解液。

在這一過程中,研究人員提出通過在循環(huán)過程中調(diào)控溶劑和鋰鹽之間的競爭分解概念,使鋰二次電池在寬操作溫度窗口下形成穩(wěn)定界面膜,從而提升鋰金屬電池的循環(huán)穩(wěn)定。

建立一個(gè)通用電解質(zhì)體系

為了驗(yàn)證這一概念,需要建立一種簡單的通用電解質(zhì)體系。

夏永高介紹,他們以己二腈(ADN)為共溶劑,不但拓寬了電解液工作溫度窗口和電化學(xué)窗口,并且可以通過加入ADN分子調(diào)控碳酸乙烯酯(EC)溶劑分子和鋰鹽的分解。接著他們運(yùn)用原位拉曼光譜、第一原理計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬等手段,證明電解液中的溶劑化結(jié)構(gòu)會(huì)隨著溫度變化而發(fā)生巨大改變。

夏永高進(jìn)一步解釋道,當(dāng)溫度升高時(shí),ADN分子參與溶劑化的數(shù)量基本保持不變,EC溶劑分子參與溶劑化的數(shù)量降低,電解液中TFSI-和ODFB-鋰鹽陰離子參與溶劑化的數(shù)量提高,即更多的鋰鹽陰離子能參與反應(yīng),促進(jìn)在電極表面生成致密無機(jī)界面膜,從而抑制溶劑分子的持續(xù)消耗,提升LiFePO4/Li、LTO/Li電池的寬溫電能。

值得一提的是,LFP/Li電池在零下20℃至120℃范圍內(nèi)100次循環(huán)后容量基本無衰減,LTO/Li全電池可在零下40℃至150℃進(jìn)行工作,且120℃可以穩(wěn)定循環(huán)超過1000次。

在此基礎(chǔ)上,研究人員通過溶劑—添加劑—鋰鹽的“雞尾酒式調(diào)控”,實(shí)現(xiàn)寬溫、高電壓、長循環(huán)電解質(zhì)體系的研制。

他們的方法是構(gòu)建一個(gè)含有更多無機(jī)成分的大尺寸溶劑化結(jié)構(gòu)。該獨(dú)特的溶劑化結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)富含無機(jī)組分的固體電解質(zhì)界面膜的形成,從而抑制電解液的持續(xù)消耗和鋰枝晶的生長,提高Li/Cu、Li/Li、Li/NCM523、Li/LiFePO4電池的寬溫能。

“Li/LiFePO4電池在30℃下穩(wěn)定循環(huán)1000次以上,容量保持率為95.20%;當(dāng)溫度升高到80℃時(shí),電池在200次循環(huán)中沒有容量損失。”夏永高說。

他表示,寬溫域電池具有寬的工作溫度范圍和高的安全,不懼怕嚴(yán)寒酷暑等嚴(yán)苛環(huán)境,可以進(jìn)一步將電動(dòng)汽車推廣至寒冷的北方地區(qū),同時(shí)大幅度提升其在南方地區(qū)炎熱夏天的使用壽命。更為重要的是,寬溫域電解液具有阻燃,進(jìn)一步保證了動(dòng)力電池的安全

標(biāo)簽: 寬溫域 電池 電解液 使用壽命 安全性 鋰離子電池

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