青島能源所在下一代高能鋰電池電解液和黏結(jié)劑領(lǐng)域取得進(jìn)展

青島儲(chǔ)能院采用含有大量苯酚基團(tuán)的可再生木質(zhì)素作為新型功能黏結(jié)劑用于5V高電壓鎳錳酸鋰正極材料，該新型正極材料的循環(huán)性能得到大幅提高。

市場(chǎng)和消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車和便攜式電子產(chǎn)品的續(xù)航里程的高度關(guān)注，驅(qū)動(dòng)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(kāi)發(fā)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(fù)極材料（如硅碳材料）。但是，這些新型電極材料與傳統(tǒng)電解液、黏結(jié)劑的兼容性差，難以形成穩(wěn)定的界面，成為制約下一代高能鋰離子電池的商業(yè)化進(jìn)程瓶頸問(wèn)題之一。依托中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所建設(shè)的青島儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院將下一代高能鋰離子電池及其配套電解液和黏結(jié)劑的研究作為主攻研究領(lǐng)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(kāi)發(fā)及電極/電解液界面形成機(jī)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(tǒng)中醫(yī)藥方和西醫(yī)“藥物協(xié)同聯(lián)用”思想的啟發(fā)，青島儲(chǔ)能院深入發(fā)展“電解液功能添加劑協(xié)同聯(lián)用”策略，實(shí)現(xiàn)大幅提升下一代高能鋰離子電池性能目標(biāo)，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(duì)添加劑的協(xié)同作用機(jī)制做出了具有指導(dǎo)性的解釋，但局限于非原位技術(shù)手段表征，可能無(wú)法反映出電極/電解液界面反應(yīng)的真實(shí)狀態(tài)。近年來(lái)，原位表征技術(shù)的發(fā)展為高性能電解液的開(kāi)發(fā)及電極/電解液界面形成機(jī)制的研究注入了新的活力。氣體是電極/電解液界面反應(yīng)的重要產(chǎn)物，確定氣體產(chǎn)物并結(jié)合界面固態(tài)產(chǎn)物表征分析將實(shí)現(xiàn)對(duì)電極/電解液界面反應(yīng)的有效解析，而原位差分電化學(xué)質(zhì)譜法（in-situ DEMS）因能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)定量電池在不同電位下的產(chǎn)氣行為而備受關(guān)注（圖1a）。青島儲(chǔ)能院采用in-situ DEMS（Hiden, HPR-20和HPR-40）和理論計(jì)算相結(jié)合的方法，研究電解液添加劑對(duì)高容量硅碳負(fù)極中電解液/電極界面反應(yīng)的影響（圖1b-d），并成功構(gòu)建5V高電壓鎳錳酸鋰/硅碳全電池體系，這對(duì)電解液功能添加劑的發(fā)展和界面研究的深入具有重要指導(dǎo)意義，相關(guān)工作以Tracing the Impact of Hybrid Functional Additives on a High-Voltage (5 V-class) SiO_x-C/LiNi_0.5Mn_1.5O₄ Li-ion Battery System 為題目發(fā)表于Chemistry of Materials (2018, 30, 8291-8302)。另外，青島儲(chǔ)能院還自主開(kāi)發(fā)新型具有大陰離子結(jié)構(gòu)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(jié)劑用量非常少，卻起關(guān)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(jié)劑。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，PVDF在高電壓工作條件下不穩(wěn)定，是下一代高能鋰電池性能衰減的一個(gè)重要原因。青島儲(chǔ)能院采用含有大量苯酚基團(tuán)的可再生木質(zhì)素作為新型功能黏結(jié)劑用于5V高電壓鎳錳酸鋰正極材料，該新型正極材料的循環(huán)性能得到大幅提高。經(jīng)充分的實(shí)驗(yàn)論證發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素黏結(jié)劑中的苯酚基團(tuán)可以消除電解液中的自由基并終止自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而抑制電解液的氧化分解，構(gòu)建高穩(wěn)定性的電解液/電極界面，該工作對(duì)高電壓正極材料黏結(jié)劑的開(kāi)發(fā)具有里程碑式的指導(dǎo)意義，相關(guān)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(fā)表于Energy & Environmental Science (2018, DOI: 10.1039/c8ee02555j)。

青島儲(chǔ)能院在下一代高能鋰離子電池及其配套電解液和黏結(jié)劑的研究領(lǐng)域所取得的成績(jī)得到國(guó)際同行的高度認(rèn)可，應(yīng)邀撰寫關(guān)于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(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2018, 6(7), 1040-1059）；關(guān)于高電壓鈷酸鋰電池的綜述（Chemical Society Reviews, 2018, 47, 6505-6602）；關(guān)于三元正極材料聚合物電解質(zhì)的綜述（Electrochemical Energy Reviews, 2018, 已接收）；關(guān)于高性能黏結(jié)劑的綜述（Energy Storage Materials, 2018）一系列文章。

相關(guān)系列研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院納米先導(dǎo)專項(xiàng)、青島市儲(chǔ)能行業(yè)科學(xué)研究智庫(kù)聯(lián)合基金、國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金、青島能源所“一三五”項(xiàng)目等的大力資助。