科研進(jìn)展
青海鹽湖所利用正極界面“烷基鏈搖曳”實(shí)現寬溫域超長(cháng)循環(huán)鋰離子電池制備?
青海鹽湖所溶液化學(xué)課題組李武、張波研究員團隊在寬溫域鎂基鋰離子電池研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展。研究團隊通過(guò)對電池正極界面進(jìn)行“烷基鏈搖曳”設計，成功統一了鋰離子電池高、低溫性能增強機制，電池寬溫域循環(huán)性能相較已報道工作有跨越式提升。
鋰離子電池的寬溫域性能，直接決定其在極端環(huán)境中的應用表現。經(jīng)過(guò)數年探索，來(lái)自世界各地的研究者們最終形成共識，認為正極界面過(guò)程是決定鋰離子電池寬溫域循環(huán)性能的關(guān)鍵所在。然而鋰離子電池在高溫和低溫下的循環(huán)性能增強機制存在巨大差異，技術(shù)路徑截然不同，使這項工作極具挑戰性。研究團隊受自然界中動(dòng)物精子通過(guò)鞭毛擺動(dòng)改變自身周?chē)鲌?chǎng)進(jìn)行移動(dòng)的現象啟發(fā)，在鋰離子電池正極界面上進(jìn)行“烷基鏈搖曳”設計，顯著(zhù)促進(jìn)界面電解液流動(dòng)，正極固態(tài)電解質(zhì)界面膜得以快速形成，在能夠及時(shí)抵御高溫下電解液對正極材料的攻擊的同時(shí)，可加速低溫下高黏度電解液中的鋰離子傳輸，同步提升電池高低溫性能。
研究團隊首先以Tween80為框架物質(zhì)構建一種弱交聯(lián)柔性受限空間，電沉積獲得所需超細納米氫氧化鎂載體（D50=15 nm），并通過(guò)Tween80原位改性實(shí)現納米氫氧化鎂功能化。用所得材料對鋰電池三元正極材料（LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2）進(jìn)行表面修飾，并進(jìn)行電池組裝和性能測試。原位紅外分析表明，Li?與 Tween80 分子間存在持續的配位和解離過(guò)程，使Tween80 分子荷電狀態(tài)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，并在電場(chǎng)作用下發(fā)生連續的構型轉變，亦即“烷基鏈搖曳”行為。烷基鏈搖曳使得納米氫氧化鎂在電池循環(huán)伊始就參與反應，快速形成薄而致密的富鎂無(wú)機正極固態(tài)電解質(zhì)界面膜。這種膜熱穩定性高、耐腐蝕性強，能夠有效抵御高溫電解液攻擊。而在低溫環(huán)境下，電解液通常會(huì )在正極表面積聚，并常因流動(dòng)性差而阻礙鋰離子傳輸。此時(shí)烷基鏈搖曳可顯著(zhù)促進(jìn)電解液的界面流動(dòng)，兼之富鎂界面層具有優(yōu)異離子導電性，使鋰離子低溫傳輸變得非常順暢。研究結果表明，通過(guò)“烷基鏈搖曳”界面驅動(dòng)設計，鋰離子電池可在60℃穩定充放電1000圈以上，同時(shí)保持70 mAh/g容量和90%以上庫侖效率。在-5℃和-15℃分別循環(huán)500圈、200圈后，容量仍能保持在80 mAh/g以上。該研究在配備熱管控系統后，電池實(shí)際寬溫域性能有望進(jìn)一步提升。
該研究結果以“Lithium-Ion Batteries with Superlong Cycle-Life in Wide Temperature Range via Interfacial Alkyl-Chain Sway”為題發(fā)表于材料學(xué)期刊Advanced Materials（影響因子27.4）。本項研究是在溶液化學(xué)課題組組長(cháng)李武研究員的領(lǐng)導下，由張波研究員團隊完成，青海鹽湖所博士研究生黃金望為論文第一作者，葉秀深研究員和其他青海鹽湖所師生在本研究過(guò)程中提供了重要幫助。論文通訊作者為張波研究員和葉秀深研究員。本研究受益于青海鹽湖所老一輩科學(xué)家塑造的良好科研氛圍，并得到青海省科技廳應用基礎研究項目（2023-ZJ-758）和青海省“昆侖英才·高端創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)人才”計劃-領(lǐng)軍人才項目的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202500394
烷基鏈搖曳機理示意及電池長(cháng)循環(huán)性能對比
