【儀表網 研發快訊】近日，材料科學與工程學院司鵬超教授課題組在極端環境電解液應用于鋰離子電池方面取得重要進展，相關研究以“Lithium nitrate-stabilized electrolyte enabling wide-temperature and high-voltage lithium-ion batteries”為題，發表于國際學術期刊Chemical Engineering Journal(中科院一區/JCR Q1, IF=13.2)，材料科學與工程學院碩士研究生劉昭君、博士研究生馮嘉萱為該文共同第一作者，司鵬超教授、龍騰助理研究員為共同通訊作者。山東大學是第一通訊單位。
LiNO3改善電解液性能的關鍵因素示意圖
在鋰離子電池(LIBs)中，要克服高電壓穩定性與寬溫度性能之間的權衡問題，尤其是在低溫條件下，需要創新的電解質設計。雖然碳酸鹽基電解質因其與石墨的良好兼容性而在商業應用中占據主導地位，但其強烈的溶劑-離子相互作用以及在低于-20 ℃時的高粘度嚴重影響了低溫性能。它們還會導致在高壓下電極表面的反應不穩定。為此，團隊報告了一種硝酸鋰添加劑電解液體系，它同時實現5.54V電化學窗口，并能在-40℃下穩定運行。此外，這種新型電解液支持G/NCM811軟包電池能夠5.1V的高電壓下充放電。優化電解液使高負載Li/NCM811電池能夠在75℃的高溫下運行，并支持高負載的G/NCM811全電池在70℃時進行快速充電和放電。這項工作通過硝酸鋰鹽的協同作用和溶劑工程，為極端條件下的電解液提供了一種有前景的設計原則。
LHCE改善溶劑化結構的關鍵因素示意圖
此外，司鵬超教授團隊還以“Anion-tailored solvation clusters in methyl acetate electrolyte: Achieving concurrent low temperature operation and high voltage stability”為題，發表于國際學術期刊Chemical Engineering Journal(中科院一區/JCR Q1, IF=13.2)，馮嘉萱為該文第一作者，司鵬超教授為通訊作者，山東大學是第一通訊單位。
在鋰離子電池(LIBs)的研究與應用中，電解液的選擇至關重要。然而，在低溫環境下鋰離子電池電解液粘度增加導致鋰離子的遷移速率顯著降低，這不僅影響了電池的充放電效率，還可能導致電池在低溫下無法正常工作，甚至出現安全隱患。此外，高壓環境下還會導致電解液的電化學穩定性下降，增加了電池內部反應的不穩定性，從而影響電池的整體性能和壽命。為此，團隊提出了一種基于陰離子保護機制下的乙酸甲酯(MA)局部高濃度電解液，實現了以接觸離子對(CIPs)和聚集體(AGGs)為主的溶劑化結構。團隊通過理論計算和實驗闡明了MA基電解液的陰離子保護機制在低溫和高壓下的可行性，為開發適合在極端環境中使用的電解液提供了一種有效策略，推動高能量密度鋰離子電池在航空航天與極地裝備等特種環境中的應用。
超低溫和高壓環境下全電池性能比較：(a)在-20°C下，Li/NCM811電池在5M-HFE、1M及BE電解液體系中的倍率性能。(b) Li/NCM811電池在-20°C、0.5C(3.0–4.7 V)下的循環性能。使用5M-HFE電解液組裝Li/NCM811電池在(c) -45°C及(d) -60°C溫度下的循環性能。(e)軟包電池首圈充放電曲線(3.0–5.2 V)。
上述研究工作得到山東省科技廳重大創新工程項目、山東大學科技創新軍民融合研究院和高端裝備涂料全國重點實驗室的大力支持。
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