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中國科學院青海鹽湖研究所研究員李武、張波團隊在寬溫域鎂基鋰離子電池研究領(lǐng)域取得進展。研究團隊通過對電池正極界面進行“烷基鏈搖曳”設(shè)計，統(tǒng)一了鋰離子電池高、低溫性能增強機制，電池寬溫域循環(huán)性能相較已報道工作有了大幅提升。

鋰離子電池的寬溫域性能，直接決定其在極端環(huán)境中的應(yīng)用表現(xiàn)。過往研究形成共識，認為正極界面過程是決定鋰離子電池寬溫域循環(huán)性能的關(guān)鍵所在。但由于鋰離子電池在高溫和低溫下的循環(huán)性能增強機制存在巨大差異，技術(shù)路徑截然不同，這項工作仍極具挑戰(zhàn)性。

研究團隊以吐溫80（Tween80）為框架物質(zhì)構(gòu)建了一種弱交聯(lián)柔性受限空間，采用電沉積獲得了所需超細納米氫氧化鎂載體（D₅₀=15 nm），并通過Tween80原位改性實現(xiàn)納米氫氧化鎂功能化。研究人員用所得材料對鋰電池三元正極材料（LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂）進行表面修飾，并進行電池組裝和性能測試。原位紅外分析表明，Li?與 Tween80 分子間存在持續(xù)的配位和解離過程，使Tween80分子荷電狀態(tài)發(fā)生動態(tài)變化，并在電場作用下發(fā)生連續(xù)的構(gòu)型轉(zhuǎn)變，即“烷基鏈搖曳”行為。烷基鏈搖曳使得納米氫氧化鎂在電池循環(huán)伊始就參與反應(yīng)，快速形成薄而致密的富鎂無機正極固態(tài)電解質(zhì)界面膜。這種膜熱穩(wěn)定性高、耐腐蝕性強，能夠有效抵御高溫電解液攻擊。在低溫環(huán)境下，電解液通常會在正極表面積聚，并常因流動性差而阻礙鋰離子傳輸。此時烷基鏈搖曳可顯著促進電解液的界面流動，兼之富鎂界面層具有優(yōu)異離子導電性，使鋰離子低溫傳輸變得順暢。

研究結(jié)果表明，通過“烷基鏈搖曳”界面驅(qū)動設(shè)計，鋰離子電池可在60℃穩(wěn)定充放電1000圈以上，同時保持70 mAh/g容量和90%以上庫侖效率。在-5℃和-15℃分別循環(huán)500圈、200圈后，容量仍能保持在80 mAh/g以上。此外，研究發(fā)現(xiàn)在配備熱管控系統(tǒng)后，電池實際寬溫域性能有望進一步提升。

相關(guān)研究成果以Lithium-Ion Batteries with Superlong Cycle-Life in Wide Temperature Range via Interfacial Alkyl-Chain Sway為題，發(fā)表在《先進材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到青海省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目、青海省“昆侖英才·高端創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才”項目的支持。

論文鏈接

烷基鏈搖曳機理示意及電池長循環(huán)性能對比