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青岛能源所运用大自然的抗衰老化学克服高电压锂电池老化问题

撰稿: 青岛生物能源与过程研究所 发布时间:2021-11-19
  对于使用层状过渡金属氧化物正极的高电压锂电池,电解液的“化学退化”导致电池性能易发生快速衰退,对这类电池的实际应用提出了实质性的挑战。电解液的化学退化是指在高电压循环过程中,过渡金属氧化物锂电池中的电解质由于高活性氧和自由基的攻击而发生化学分解的现象。目前为止,应对这一问题的策略主要涉及材料表面原子层包覆,或者使固态电解质等。这些方法的目的主要是建立一个物理屏障以减缓电解质分解的速度,但并不能实质性地抑制电解液的化学退化。更糟糕的是,这些方法往往需要复杂的制备过程和高的工艺成本,或者牺牲电池的能量密度和性能。
  在自然界中,化学退化现象无处不在。苹果褐变、铁块生锈和皮肤老化都是活性氧和自由基造成的化学退化现象。为了应对这一化学退化问题,自然界的芸芸众生进化出了很多办法来应对这个问题。例如,生物体通常会产生不同类型的酶来清除活性氧和自由基,以避免这一问题的发生。受这些生物体抗氧化应对机制的启发,青岛能源所固态能源系统技术中心使用了光稳定剂作为一种简单的、低成本的抗老化粘结剂添加剂来清除电池循环中产生的单线态氧和自由基。
  
  图1 抗衰老粘结剂和传统的PVDF粘结剂在多种层状氧化物锂电池中的性能对比
  通过实验研究和理论计算,研究人员发现,这种生物启发的清除机制可以在高电压正极表面诱导形成相容性的正极/电解质界面,进而在多种层状过渡金属氧化物(如钴酸锂、富锂和富镍氧化物)基锂电池中表现出卓越的电化学性能(图1)。
  上述工作近日以Supplementary Cover Article形式发表于《Journal of the American Chemical Society》杂志上。文章第一作者是青岛能源所的博士生穆鹏州,通讯作者是青岛能源所的崔光磊研究员、董杉木研究员、张焕瑞副研究员。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院先导专项、山东省人才项目等项目的支持。
  Pengzhou Mu,# Huanrui Zhang,#* Hongzhu Jiang, Tiantian Dong, Shu Zhang, Chen Wang, Jiedong Li, Yue Ma, Shanmu Dong,* Guanglei Cui,* J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 18041-18051.