高壓氟化電解液體系在電極電解液界面的表現(xiàn)、DFT計(jì)算以及全電池循環(huán)性能

當(dāng)前鋰離子電池由于其出色的電化學(xué)性能廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車，正極材料是影響鋰離子電池性能的關(guān)鍵因素之一，使用高比能正極材料（如NCM811）以及提高電池工作電壓（>4.2V）是獲得更高能量密度的最有效途徑。然而，傳統(tǒng)的碳酸酯基電解液無法適配高壓電池體系，而且三元正極材料在高電壓下會(huì)發(fā)生各種副反應(yīng)，最終導(dǎo)致體系劣化、容量衰減。

中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所研究員武建飛團(tuán)隊(duì)，多年來深耕正極材料及高性能電解液領(lǐng)域（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 49666；ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 12264），近期在高電壓電解液體系開發(fā)應(yīng)用方面取得關(guān)鍵性進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表于《化學(xué)工程雜志》（Chemical Engineering Journal）。

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型的高壓氟化電解液體系，將NCM811正極材料的工作電壓從4.2V提高到4.6V，拓展了三元體系的使用上限和應(yīng)用范圍，解決了兩個(gè)重要問題：提高了高鎳三元正極體系的比容量和工作電壓，抑制NCM811正極在高電壓下的結(jié)構(gòu)相變、過渡金屬離子溶出以及二次粒子的開裂，降低了極化，從而提高體系的能量密度和循環(huán)性能；構(gòu)建了穩(wěn)定的CEI和SEI，實(shí)現(xiàn)高負(fù)載量高鎳三元體系電池在高電壓下的可逆穩(wěn)定循環(huán)。其中Li||NCM811半電池在4.6V工作電壓下可以展現(xiàn)出247.2 mAh g^-1的高比容量，81.4%的循環(huán)容量保持率（0.5C 200圈）和154.5 mAh g^-1的高倍率比容量（5C）。同時(shí)，石墨|| NCM811全電池在4.6 V循環(huán)100圈后仍然保留185.7 mAh g^-1的高比容量。

通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算系統(tǒng)闡述了該高壓電池體系性能提升的原因。氟取代基（-F）具有很強(qiáng)的吸電子作用，降低了溶劑的最高被占據(jù)分子軌道（HOMO），從而提高了電解液的氧化電位。在該體系中，正極表面的氟代溶劑（-F）如 TFA 和 FEC 具有較低的HOMO能級(jí)，從而獲得較高的氧化電位，有助于形成均勻的CEI膜。在負(fù)極表面，LiDFOB、FEC 和 TFA 的LUMO較低，通過協(xié)同作用在負(fù)極側(cè)還原形成均勻的SEI膜，進(jìn)一步穩(wěn)定電池性能。通過SEM、XPS等系列表征，進(jìn)一步證實(shí)，通過在正極表面形成了薄而均勻的富B和富F的無機(jī)電解質(zhì)界面，減少了二次粒子的開裂從而縮小正極和電解液之間的接觸面積，極大地抑制了電接觸不良、副反應(yīng)以及過渡金屬離子溶出，從而突破了高鎳三元正極在高電壓下容量衰減嚴(yán)重等障礙，為設(shè)計(jì)開發(fā)高能量密度鋰離子電池提供了新的思路和途徑。