科學家開發出新型“雞尾酒電解液”

近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員吳忠帥團隊與德國德累斯頓工業大學馮新亮教授、中國科學技術大學余彥教授合作，基于多組分添加劑的協同效應，開發了一種具有普適性的新型“雞尾酒電解液”，通過在正極和負極上協同形成穩定和快離子傳輸的電極/電解液界面，提升了商業鈷酸鋰的4.6V高電壓和5C超快充性能，并能在寬溫度范圍（-20~45℃）內穩定運行。相關成果發表在《能源與環境科學》上。

鈷酸鋰因其高的體積、重量能量密度而成為3C電子產品的主要正極材料。為了滿足日益增長的消費需求，鋰離子電池必須實現更高的能量密度、更長的循環壽命、更快的充電能力和更寬的工作溫度范圍。原則上可以通過提高充電截止電壓來進一步提升電池的能量密度。然而，高壓下電解液持續的氧化分解、不均勻正極-電解質界面的過度生長和遲緩的界面動力學仍然是阻礙鈷酸鋰實現高壓、快充的關鍵問題。迄今為止報道的最先進的電解質仍然無法兼顧高能量密度和快充性能，隨著能量密度的增加，緩慢的界面動力學極大地限制了上述兩個指標的同時實現。

該工作中，研究團隊開發的基于多組分添加劑協同的新型“雞尾酒電解液”，可提升商業化鈷酸鋰在4.6V高電壓、超快充和寬溫條件下的工作能力。“雞尾酒電解液”通俗來說，是一種特殊的電解液“配方”，它借鑒了調制雞尾酒的方法，即通過選擇和調配不同的組分，以達到優化電池性能的目的。

團隊利用多種表征手段證實了這種“雞尾酒電解液”通過LiPF₆、LiPO₂F₂等多組分之間的協同效應，在正極和負極表面分別形成薄且堅固的電極/電解液界面膜，有效緩解了正極表界面結構降解和界面副反應，并加速界面反應動力學，即使在高倍率下也能抑制負極側鋰枝晶的生長。因此，商業化鈷酸鋰表現出優異的長循環穩定性、快充、倍率性能和寬溫運行能力。研究發現，在5C超快充下經過1000次循環，容量保持率高達73.2%；石墨||鈷酸鋰實用性軟包電池在2000次循環后具有72.1%的容量保持率，展示出工業應用潛力。

此外，團隊還將基于多組分添加劑協同的電解液推廣應用到其他先進的高鎳和無鈷正極，證明了該工作所開發的“雞尾酒電解液”具有通用性和普適性，為發展高能量密度的快速充電電池提供了新的思路和策略。