2024-05-06
【内容概要】
LiCoO2是锂离子电池的主要商用正极材料，受到了学术界和工业界的广泛关注。特别是LiCoO2正极具有高理论容量（274 mAh g-1）、高体积能量密度、优异锂离子传导速率与导电性等优点。然而，由于电解质(在4.45 V vs Li/Li+下工作)的限制，LiCoO2的理论放电容量被限制在约170 mAh g-1。通过提高充电截止电压来提高锂离子电池能量密度是一个关键的途径。然而，当LiCoO2暴露在高电压下（＞4.55V）时，会引发严重的晶格畸变与体相结构失稳，伴随着与电解质的严重副反应，导致有害体相相变与金属离子溶出，造成不可逆的容量损失。这些相变引入了LiCoO2颗粒内部的应变，从而不利地影响了电池的循环稳定性。此外，随着时间的推移，内部应变的积累有利于电解质渗透到这些裂纹中。氧化电位的升高加速了电解质的分解，导致钴的溶解和大量的氧气损失。这些有害的影响共同减少电池的实际容量释放能力。
针对上述关键科学问题，团队硕士生李金阳发展了2-(三氟甲基)苯甲酰胺（2-TFMBA）作为多功能型电解液添加剂的改性策略，实现了高电压下钴酸锂正极比容量的实际增强。后续结合多种原位、非原位表征手段，进一步解析出2-TFMBA稳定高电压钴酸锂正极的内在机制，2-TFMBA内部三氟甲基和酰胺基团的协同作用能有效抑制钴酸锂的有害相变，提高高电压下正极表界面结构稳定性并在活性物质界面诱导形成薄而均匀的CEI，大幅降低了正极颗粒与电解液之间的不利副反应，抑制了钴的溶解与晶格氧的析出。同时，XPS结果表明，具有高锂离子传导速率的有益CEI组分LiF、Li3N的含量明显提高，进而实现了钴酸锂正极在4.6 V充电截止电压下放电比容量的有效增强，其循环稳定性和容量释放能力大幅提高。4.6 V循环300圈后（1 C）达到了84%以上的容量保持率。
本工作所发展的稳定高电压钴酸锂正极的多功能型电解液添加剂的改性策略为高性能添加剂的开发提供了方向。相关研究成果以“Stabilization of LiCoO2 Cathodes in High Voltage Lithium Metal Batteries Through 2-(Trifluoromethyl)Benzamide (2-TFMBA) Electrolyte Additives”为题发表在Small期刊上，指导教师为王嘉骏副研究员与韩晓鹏教授。
