青岛动力所规划阴离子挑选透过性聚合物电解质处理双碳电池瓶颈问

根据阴离子(脱)嵌入石墨正极的双离子电池因其成本低、作业电压高和输出功率大等长处，有望鄙人一代大规模储能设备中广泛应用。现在，双离子电池中运用的电解液以碳酸酯类电解液为主，这类溶剂难逃高电压的“魔爪”，极易在正极/电解液界面处氧化分化，降低了电池的库伦功率(<90%)和循环稳定性。除此之外，还有一个瓶颈问题——溶剂共嵌，即在充电进程中，因为阴离子和溶剂之间存在氢键相互效果，溶剂会跟从阴离子共嵌于石墨层间。这种共嵌入行为易导致石墨结构剥离和溶剂的氧化分化，严重影响电池寿数，阻止了双离子电池的商业化进程。现在，进步双离子电池循环功能的报导主要是通过构筑物理阻隔层来按捺电解液的氧化分化，专门研讨阴离子-溶剂共嵌入行为及处理办法的作业却鲜有报导。

近几年，中国科学院青岛生物动力与进程研讨所固态动力系统技能中心在双离子电池高电压界面问题以及抗氧化电解液研讨等科学范畴展开深入研讨，开始取得了研讨进展(Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1804022;J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 1451–1456)。团队在钛酸锂包覆石墨的实验中发现物理涂覆层能够阻挠溶剂嵌入，那么，能否找到简略高效且自动按捺溶剂共嵌的办法呢?在深入调查阴离子-溶剂配位联系的基础上，研讨人员提出了通过调控阴离子溶剂化结构，弱化阴离子与溶剂的相互效果和促进阴离子去溶剂化的处理方案。研讨团队遭到生物细胞膜挑选透过性功能的启示，规划了一种具有“阴离子挑选透过性”的聚合物电解质。该电解质由两种别离含有季铵盐阳离子基团的单体(MTMA-PF6)和环状碳酸酯基团的单体(CUMA)原位聚合而成，有用按捺了溶剂共嵌和电解液的氧化分化，坚持了循环进程中石墨结构完整性，从而大幅度进步了电池的循环稳定性和库伦功率。通过光谱表征和理论核算证明，季铵盐阳离子基团能够与阴离子构成强静电效果，参加了阴离子的溶剂化结构，从而削弱阴离子和碳酸酯溶剂的相互效果，并在阴离子嵌入石墨进程中“锚定”溶剂分子，促进阴离子去溶剂化(图1)。V型管浸透实验和XPS刻蚀等办法证明了聚合物骨架有用按捺了溶剂共嵌和分化。研讨发现，CUMA单体有助于进步界面兼容性，构筑了一层结实的有机无机复合界面层，对进步电解液稳定性和电池长循环功能起到协同效果。得益于聚合物规划战略的合理性，在截止电压5.4V和2C的条件下，电池循环2000圈，容量坚持率为87.1%，均匀库伦功率达99%，通过多年技能革新，双碳电池库伦功率进步了14%，功能优于大多数文献报导(表1)。该研讨为双离子电池电解液的开发和阴离子-溶剂共嵌入的问题供给了新的处理思路。

相关成果于近来宣布在Advanced Materials上。该作业得到国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项、山东省要点研制方案等项目的支撑与赞助。

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图1. 液态电解液与聚合物电解质中溶剂共嵌行为比照示意图 

表1. 不同电解液系统截止电压及库伦功率