电解质添加剂助力锂电池性能突破，能够做到稳定高压长寿命

电解质添加剂助力锂电池性能突破，能够做到稳定高压长寿命

美国能源部布鲁克海文国家实验室的最新研究发现，通过在锂电池电解质中添加特定的化学物质，可以显著提高电池的高压稳定性和循环寿命。这项发表在《自然能源》杂志上的研究成果，为解决富镍层状阴极材料在高电压条件下的容量损失问题提供了新的解决方案。

由美国能源部 (DOE) 布鲁克海文国家实验室的化学家领导的一组研究人员了解到，电解质添加剂可以使富镍层状阴极实现稳定的高压。他们的工作可能会提高为电动汽车提供动力的锂电池的能量密度。

这项研究是作为 DOE 赞助的 Battery500 联盟的一部分进行的，该联盟由 DOE 的太平洋西北国家实验室 (PNNL) 领导，致力于显着提高电动汽车锂电池的能量密度。

电池由两个电气端子（称为阴极和阳极的电极）组成，它们由另一个电池组件电解质隔开。电子通过连接两个电极的外部电路，离子通过电解质。在充电-放电循环期间，两者都在电极之间来回穿梭。

与锂金属阳极配对时，富镍层状阴极材料有望为下一代电池提供高能量密度。但这些材料容易出现容量损失。主要问题之一是高压充放电循环期间的颗粒破裂。高压操作很重要，因为电池中存储的总能量对车辆行驶里程很重要，随着有用操作电压的增加而增加。

另一个问题是过渡金属从阴极溶解并随后沉积在阳极上。领导这项研究的布鲁克海文化学家胡恩远说，这在电池界被称为“串扰”。在高压充电过程中，阴极晶格中的少量过渡金属溶解，然后穿过电解质，沉积在阳极侧。当这种情况发生时，阴极和阳极都会退化。

研究人员发现，在电解质中加入少量添加剂可以抑制串扰。

通过在阴极上形成一个非常稳定的界面，这种保护层显着抑制了阴极表面的过渡金属损失，减少过渡金属损失有助于减少这些过渡金属在阳极上的沉积。从这个意义上说，阳极也受到了一定程度的保护。抑制过渡金属溶解是导致显着的关键因素之一。

研究人员发现，电解质添加剂使富含镍的层状阴极能够在高压下循环，以提高能量密度，并在 200 次循环后仍保持其初始容量的 97%。

最常见的富镍阴极是多晶形式，许多纳米级晶体的聚集体，也称为初级粒子，聚集在一起形成更大的次级粒子。虽然这保证了一种相对简单的合成路线，但多晶性质通常被归咎于导致颗粒裂纹和容量衰减。

最近的研究表明，基于单晶的阴极在抑制颗粒裂纹形成方面可能优于多晶阴极。然而，这项研究表明，使用添加剂工程也可以有效地解决多晶材料的开裂问题。

为了成像阴极表面结构在循环过程中如何演变以及进行计算分析，研究人员求助于布鲁克海文实验室功能纳米材料中心的能力。这些成像和计算研究帮助团队确定了添加剂的工作机制。

这个项目需要将先进技术和先进分析完美结合起来，以提供关于这种添加剂在从粒子到电极的各个层面的影响的关键见解，研究中的分析提供了统计上可靠的、令人信服的证据来证明它是如何工作的。