【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】鈷酸鋰(LiCoO2，LCO)正極目前仍是消費電子領(lǐng)域鋰離子電池的主流正極材料。然而，隨著工作電壓升高(>4.5V)，鈷酸鋰層狀正極材料將面臨結(jié)構(gòu)不可逆相轉(zhuǎn)變、嚴重界面副反應、表面過渡金屬溶解以及晶格氧參與電化學過程等問題，導致正極-電解液界面(CEI)阻抗增加和電極容量迅速衰減。針對這一挑戰(zhàn)，北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授課題組在前期研究中通過表面包覆物結(jié)構(gòu)調(diào)控與氟化電解質(zhì)設計等策略，在高電壓鈷酸鋰表面精準構(gòu)筑了功能化CEI層，顯著提升了鈷酸鋰表界面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與體相相變可逆性(Adv. Energy Mater., 2024, 14, 2402223；Adv. Mater., 2024, 36, 2408875；Energy Environ. Sci., 2024, 17, 7944；Adv. Funct. Mater., 2025, 2504165)。
然而，在高溫度環(huán)境下，上述正極與電解液之間的界面副反應會進一步加劇，并伴隨大量氟化氫的產(chǎn)生，對CEI膜與正極材料造成嚴重侵蝕，最終導致CEI膜破裂與界面失穩(wěn)。因此，亟需開發(fā)一種能夠兼容現(xiàn)有工藝的界面調(diào)控策略，以原位構(gòu)筑穩(wěn)定且致密的鈍化層，從而在高電壓與高溫條件下有效抑制電解液的持續(xù)分解及正極結(jié)構(gòu)的不可逆退化。
近期，潘鋒團隊基于材料基因組學方法(圍繞關(guān)鍵功能基元及其排序與相互作用等三大要素)，成功預測出可以在高電壓條件下提升鋰電池正極鈷酸鋰界面穩(wěn)定性的電解液體系。該策略通過在商業(yè)化碳酸酯基電解液中引入磷酸三乙酯(TEP)和1，3-丙磺酸內(nèi)酯(PS)，調(diào)控鈷酸鋰正極界面原位構(gòu)筑了三層功能化結(jié)構(gòu)的CEI膜：最內(nèi)層為Li3PO4，可有效抑制晶格氧活性并提高離子電導率；中間層為LiF，作為框架層阻斷電子傳輸；最外層為Li2SO3，賦予膜優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和粘附性。三者協(xié)同作用，形成在高溫高電壓條件下仍致密穩(wěn)固的界面鈍化層。該CEI膜設計策略具備良好的通用性與擴展性，有望廣泛應用于其它鋰電池層狀氧化物正極材料。相關(guān)研究成果以“Engineering durable interphases for high-voltage Li-ion batteries under thermal stress”為題，發(fā)表于《國家科學評論》(National Science Review，2025，nwaf345)上。
調(diào)控不同電解液在25℃和45℃下的作用機制圖
該工作在潘鋒、北京大學深圳研究生院新材料學院楊盧奕副研究員以及清華大學鄭國瑞博士的共同指導下完成。北京大學深圳研究生院博士畢業(yè)生陳詩名(現(xiàn)為香港大學化學系博士后)和博士生趙文光為論文共同第一作者。研究獲得了國家自然科學基金、電動汽車動力電池與材料國際聯(lián)合研究中心、廣東省新能源材料設計與計算重點實驗室以及深圳市新能源材料基因組制備和檢測重點實驗室的支持。
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