青島能源所在下一代高能鋰電池電解液和黏結(jié)劑領(lǐng)域取得進展

青島儲能院采用含有大量苯酚基團的可再生木質(zhì)素作為新型功能黏結(jié)劑用于5V高電壓鎳錳酸鋰正極材料，該新型正極材料的循環(huán)性能得到大幅提高。

市場和消費者對電動汽車和便攜式電子產(chǎn)品的續(xù)航里程的高度關(guān)注，驅(qū)動著鋰離子電池能量密度的不斷提升。提升鋰離子電池能量密度最常用的策略是開發(fā)新型高電壓高容量正極材料（如鎳錳酸鋰、高電壓鈷酸鋰、高電壓三元材料等）或高容量的負(fù)極材料（如硅碳材料）。但是，這些新型電極材料與傳統(tǒng)電解液、黏結(jié)劑的兼容性差，難以形成穩(wěn)定的界面，成為制約下一代高能鋰離子電池的商業(yè)化進程瓶頸問題之一。依托中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所建設(shè)的青島儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院將下一代高能鋰離子電池及其配套電解液和黏結(jié)劑的研究作為主攻研究領(lǐng)域之一。

眾所周知，電解液是鋰離子電池的“血液”，高性能電解液的開發(fā)及電極/電解液界面形成機制的研究將極大地提高下一代高能鋰離子電池的性能。受傳統(tǒng)中醫(yī)藥方和西醫(yī)“藥物協(xié)同聯(lián)用”思想的啟發(fā)，青島儲能院深入發(fā)展“電解液功能添加劑協(xié)同聯(lián)用”策略，實現(xiàn)大幅提升下一代高能鋰離子電池性能目標(biāo)，如高電壓鈷酸鋰/石墨全電池體系(Energy Technology, 2017, 5, 1979-1989)和5V高電壓鎳錳酸鋰/石墨全電池體系(Advanced Energy Materials, 2018, 8, 1701398)。 這些研究工作雖然對添加劑的協(xié)同作用機制做出了具有指導(dǎo)性的解釋，但局限于非原位技術(shù)手段表征，可能無法反映出電極/電解液界面反應(yīng)的真實狀態(tài)。近年來，原位表征技術(shù)的發(fā)展為高性能電解液的開發(fā)及電極/電解液界面形成機制的研究注入了新的活力。氣體是電極/電解液界面反應(yīng)的重要產(chǎn)物，確定氣體產(chǎn)物并結(jié)合界面固態(tài)產(chǎn)物表征分析將實現(xiàn)對電極/電解液界面反應(yīng)的有效解析，而原位差分電化學(xué)質(zhì)譜法（in-situ DEMS）因能夠?qū)崟r監(jiān)測定量電池在不同電位下的產(chǎn)氣行為而備受關(guān)注（圖1a）。青島儲能院采用in-situ DEMS（Hiden, HPR-20和HPR-40）和理論計算相結(jié)合的方法，研究電解液添加劑對高容量硅碳負(fù)極中電解液/電極界面反應(yīng)的影響（圖1b-d），并成功構(gòu)建5V高電壓鎳錳酸鋰/硅碳全電池體系，這對電解液功能添加劑的發(fā)展和界面研究的深入具有重要指導(dǎo)意義，相關(guān)工作以Tracing the Impact of Hybrid Functional Additives on a High-Voltage (5 V-class) SiO_x-C/LiNi_0.5Mn_1.5O₄ Li-ion Battery System 為題目發(fā)表于Chemistry of Materials (2018, 30, 8291-8302)。另外，青島儲能院還自主開發(fā)新型具有大陰離子結(jié)構(gòu)的全氟叔丁氧基三氟硼酸鋰（LiTFPFB）作為電解液主鹽（Chemical Science）。

鋰離子電池電極中黏結(jié)劑用量非常少，卻起關(guān)鍵作用，但在研究中容易被忽視。聚偏氟乙烯（PVDF）是正極材料最常用的黏結(jié)劑。近年來研究發(fā)現(xiàn)，PVDF在高電壓工作條件下不穩(wěn)定，是下一代高能鋰電池性能衰減的一個重要原因。青島儲能院采用含有大量苯酚基團的可再生木質(zhì)素作為新型功能黏結(jié)劑用于5V高電壓鎳錳酸鋰正極材料，該新型正極材料的循環(huán)性能得到大幅提高。經(jīng)充分的實驗論證發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素黏結(jié)劑中的苯酚基團可以消除電解液中的自由基并終止自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而抑制電解液的氧化分解，構(gòu)建高穩(wěn)定性的電解液/電極界面，該工作對高電壓正極材料黏結(jié)劑的開發(fā)具有里程碑式的指導(dǎo)意義，相關(guān)工作以A biomass based free radical scavenger binder endowing a compatible cathode interface for 5 V lithium-ion batteries 為題目在線發(fā)表于Energy & Environmental Science (2018, DOI: 10.1039/c8ee02555j)。

青島儲能院在下一代高能鋰離子電池及其配套電解液和黏結(jié)劑的研究領(lǐng)域所取得的成績得到國際同行的高度認(rèn)可，應(yīng)邀撰寫關(guān)于5V高電壓鎳錳酸鋰電池的綜述（Chemistry of Materials, 2016, 28, 3578-3606）；電解液阻燃劑的綜述（儲能科學(xué)與技術(shù),2018, 6(7), 1040-1059）；關(guān)于高電壓鈷酸鋰電池的綜述（Chemical Society Reviews, 2018, 47, 6505-6602）；關(guān)于三元正極材料聚合物電解質(zhì)的綜述（Electrochemical Energy Reviews, 2018, 已接收）；關(guān)于高性能黏結(jié)劑的綜述（Energy Storage Materials, 2018）一系列文章。

相關(guān)系列研究獲得國家自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中科院納米先導(dǎo)專項、青島市儲能行業(yè)科學(xué)研究智庫聯(lián)合基金、國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金、青島能源所“一三五”項目等的大力資助。