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一位院士聯(lián)合兩位杰青！商用LiCoO2實(shí)現(xiàn)4.6 V超穩(wěn)定快速充電

來源：時(shí)間：2024-03-15 11:19:52 瀏覽：2248次

第一作者：Anping Zhang

通訊作者：吳忠?guī)浹芯繂T、馮新亮院士、余彥教授

通訊單位：大連化學(xué)物理研究所、德累斯頓工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

DOI: 10.1039/D4EE00676C.

研究背景

由LiCoO₂（LCO）正極和石墨負(fù)極組成的LIBs，一直是便攜式電子產(chǎn)品的主要電源。然而，受傳統(tǒng)碳酸鹽電解質(zhì)的穩(wěn)定電壓窗（4.4 V）的限制，商用LCO正極只能提供理論容量（170 mAh g^-¹）的62%（4.4 V時(shí)）。當(dāng)充電截止電壓提高到4.6 V時(shí)，從LCO正極中提取出總鋰離子的80%，比容量增加到220 mAh g^-¹，但電壓和充電倍率的增加會(huì)導(dǎo)致過渡金屬不斷溶解，活性氧不可逆釋放，電極/電解質(zhì)界面副反應(yīng)加劇。高壓快速充電電解質(zhì)的開發(fā)是實(shí)現(xiàn)高能量密度快速充電電池的關(guān)鍵因素，而正極和負(fù)極同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速界面動(dòng)力學(xué)是快速充電的關(guān)鍵。目前，正極側(cè)的快速充電問題受到的關(guān)注遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于負(fù)極側(cè)，特別是正極/電解質(zhì)界面的快速充電問題?；诖?，大連化學(xué)物理研究所吳忠?guī)?i class="wx_search_keyword" style="margin:0px;padding:0px;outline:0px;max-width:100%;box-sizing:border-box !important;overflow-wrap:break-word !important;display:inline-block;vertical-align:super;font-size:10px;width:1.2em;height:1.2em;-webkit-mask-position:50% 50%;-webkit-mask-repeat:no-repeat;-webkit-mask-size:100%;background-color:var(--weui-LINK);-webkit-mask-image:url("data:image/svg+xml,%3csvg width='12' height='12' viewBox='0 0 12 12' fill='none' xmlns='http://www.w3.org/2000/svg'%3e%3cpath fill-rule='evenodd' clip-rule='evenodd' d='M7.60772 8.29444C7.02144 8.73734 6.29139 9 5.5 9C3.567 9 2 7.433 2 5.5C2 3.567 3.567 2 5.5 2C7.433 2 9 3.567 9 5.5C9 6.28241 8.74327 7.00486 8.30946 7.5877C8.3183 7.59444 8.3268 7.60186 8.33488 7.60994L10.4331 9.70816L9.726 10.4153L7.62777 8.31704C7.62055 8.30983 7.61387 8.30228 7.60772 8.29444ZM8 5.5C8 6.88071 6.88071 8 5.5 8C4.11929 8 3 6.88071 3 5.5C3 4.11929 4.11929 3 5.5 3C6.88071 3 8 4.11929 8 5.5Z' fill='%23576B95'/%3e%3c/svg%3e");">研究員、德累斯頓工業(yè)大學(xué)馮新亮院士和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)余彥教授等人報(bào)道了一種“雞尾酒電解質(zhì)”來克服上述挑戰(zhàn)，使商用LiCoO₂（LCO）在寬溫度范圍內(nèi)具有超穩(wěn)定的快速充電。

文章要點(diǎn)

1、不同于商用碳酸鹽電解質(zhì)，作者使用的電解質(zhì)協(xié)同作用有助于快速離子傳輸和穩(wěn)定的電極/電解質(zhì)界面相，從而抑制界面副反應(yīng)，加速正極側(cè)的界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，并且即使在極高的倍率（3 C和5 C）下也可以防止鋰（Li）枝晶在負(fù)極上形成。

2、測試發(fā)現(xiàn)，Li||LiCoO₂硬幣式電池在快速充電倍率（5 C，1000次循環(huán)后容量保留率為73.2%）和極端條件（-20和45 °C）下都顯示出超高的穩(wěn)定性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過最先進(jìn)的電解質(zhì)。此外，作者通過石墨||LiCoO₂袋式電池（2000次循環(huán)后容量保留率為72.1%）和其他先進(jìn)的高Ni或無Co正極的穩(wěn)定運(yùn)行，證明了該電解質(zhì)的實(shí)用性和通用性。本研究為高能量密度快速充電電池的發(fā)展提出了深刻的見解和實(shí)用的策略。

圖文展示

圖1.高壓FPE電解質(zhì)的設(shè)計(jì)原理和性能

圖2. 4.6 V LCO正極在3-4.6 V FPE中的電化學(xué)性能

圖3. 4.6 V LCO正極/電解質(zhì)界面的界面動(dòng)力學(xué)和寬溫度電化學(xué)性能

圖4.在充/放電過程中4.6 V LCO正極CEI層的表征和表面演變

圖5. 4.6 V LCO正極和電解質(zhì)之間的界面化學(xué)

圖6. FPE的工作機(jī)制、實(shí)際應(yīng)用和通用性

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