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微量添加劑如何改變EC的分解路徑以及相應(yīng)的CEI構(gòu)筑

鋰電聯(lián)盟會(huì)長(zhǎng) ? 來(lái)源:鋰電聯(lián)盟會(huì)長(zhǎng) ? 作者:鋰電聯(lián)盟會(huì)長(zhǎng) ? 2022-07-29 10:11 ? 次閱讀
提高鈷酸鋰充電電壓,能大幅提升能量密度,但是,一旦高于4.6 V,會(huì)面臨嚴(yán)峻的高壓挑戰(zhàn)(正極結(jié)構(gòu)畸變、電解液持續(xù)氧化分解,Co shuttle導(dǎo)致的負(fù)極衰敗),構(gòu)建有效的正極/電解液界面膜(CEI)是解決高壓?jiǎn)栴}的有效策略。通常情況下,常用的碳酸脂溶劑(EC)會(huì)形成不夠有效的多孔CEI,在循環(huán)過(guò)程中,電解液的持續(xù)氧化分解使得CEI加厚(極化增大)、HF以及HF引發(fā)的Co loss 問(wèn)題加劇?;诖?,發(fā)展出了局部高濃/氟代共溶劑策略,本質(zhì)在于通過(guò)改變Li+溶劑鞘結(jié)構(gòu),用鹽陰離子或F代溶劑分子來(lái)替代EC的氧化分解,以構(gòu)筑氧化穩(wěn)定性高的CEI。微量添加劑不同于它們,由于添加劑用量少,其氧化分解產(chǎn)物不可能主導(dǎo)CEI成分,因此,添加劑不是作為替代EC氧化分解的犧牲劑,而應(yīng)當(dāng)起到誘導(dǎo)其分解的作用。然而,關(guān)于添加劑的作用機(jī)制仍有許多未解之謎,微量添加劑究竟是如何改變EC的分解路徑以及相應(yīng)的CEI構(gòu)筑? 【文章簡(jiǎn)介】近日,廈門(mén)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院?jiǎn)逃鹫n題組,聯(lián)合鄭建明教授、中科院物理所王雪峰教授,在高壓鈷酸鋰體系中引入微量添加劑(簡(jiǎn)稱(chēng)SPTF),通過(guò)漫反射傅里葉紅外光譜首次驗(yàn)證了微量添加劑能抑制EC脫氫,并且,采用一系列表征(in-situ XRD, sXAS, AFM, HRTEM, NMR, cryo-TEM)證明微量添加劑在調(diào)控EC脫氫的同時(shí)構(gòu)筑了更有效的CEI(薄、堅(jiān)固、穩(wěn)定),改性后的CEI能抑制Co shuttling、有效緩解負(fù)極衰敗,最終實(shí)現(xiàn)了性能優(yōu)異的高壓鈷酸鋰軟包全電池:250 Wh/kg的石墨軟包在200圈后仍有99%的容量保持率;270 Wh/kg的SiO采用全極耳技術(shù),實(shí)現(xiàn)3 C高倍率,400圈后容量保持率為80%。該成果以“Tailoring Electrolyte Dehydrogenation with Trace Additives: Stabilizing the LiCoO2 Cathode beyond 4.6 V”為題發(fā)表在ACS Energy Letters上。通訊作者為廈門(mén)大學(xué)喬羽教授、鄭建明教授、中科院王雪峰教授;廈門(mén)大學(xué)嚴(yán)雅文為本文第一作者。 【內(nèi)容表述】1. 添加劑設(shè)計(jì)&鈷酸鋰半電池電化學(xué)性能加了添加劑的鈷酸鋰半電池,1 C充1 C放電時(shí), 300圈后容量保持率70%;1 C充2 C放電時(shí),1000圈后容量保持率為88%。相比之下,base電解液在較早階段就發(fā)生了跳水。長(zhǎng)循環(huán)中,放電容量衰減可能與正極結(jié)構(gòu)畸變、負(fù)極衰敗、或不穩(wěn)定的界面膜導(dǎo)致,但庫(kù)倫效率降低的主要原因來(lái)自不穩(wěn)定的界面膜,從兩者庫(kù)倫效率的差異性也能說(shuō)明添加劑提高了電極/電解液界面穩(wěn)定性。1814e3e0-0e49-11ed-ba43-dac502259ad0.png圖1 (a, b) 不同充電截至電壓時(shí)的能量密度差異;(c)LSV曲線,SPTF添加劑化學(xué)結(jié)構(gòu)式;(d-f) 鈷酸鋰半電池電化學(xué)性能。 2. 電解液氧化脫氫過(guò)程電解液的氧化脫氫過(guò)程是構(gòu)筑CEI的初步及關(guān)鍵步驟,這一過(guò)程發(fā)生在電極表面,很難通過(guò)XPS、TOF-SIMS等高真空表征手段去探測(cè)(對(duì)電極片的洗滌會(huì)沖洗掉脫氫產(chǎn)物)?;诖?,我們采用了漫反射傅里葉變換紅外光譜,對(duì)剛拆解下的未洗滌電極片進(jìn)行表征,并重點(diǎn)關(guān)注這些區(qū)域(C=O,C-O-C, C-O,F(xiàn)-P鍵伸縮振動(dòng))。 C=O,C-O-C, C-O譜圖顯示循環(huán)后的電解液都發(fā)生了藍(lán)移(即向高波數(shù)移動(dòng)),這和EC的脫氫有關(guān),而加了SPTF添加劑相比于base電解液的藍(lán)移程度更小,說(shuō)明添加劑能抑制EC脫氫,這一結(jié)論也通過(guò)了DFT計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。在F-P譜圖中,同樣發(fā)現(xiàn)加了添加劑的藍(lán)移程度更小,說(shuō)明鋰鹽水解程度更少,因?yàn)樗{(lán)移意味著P和F配位更少 (生成水解產(chǎn)物五氟化磷、三氟氧磷)。1820f02c-0e49-11ed-ba43-dac502259ad0.png圖 2 (a-c) 循環(huán)后的LCO正極表面的DRIFT譜圖,以及脫氫的、鋰離子結(jié)合的碳酸脂溶劑分子(EC、DEC)的FT-IR計(jì)算譜圖;(d)SPTF添加劑在碳酸脂溶劑中的作用機(jī)制。 3. 添加劑改性的CEI的成分、形貌、機(jī)械性能通過(guò)不同刻蝕深度(0、20 nm)的軟線,以及TEM、AFM、浮充驗(yàn)證了SPTF添加劑有助于形成更薄、更堅(jiān)固、更穩(wěn)定的CEI膜。18372324-0e49-11ed-ba43-dac502259ad0.png圖3 (a-d) 不同刻蝕深度(0、20 nm)的Co L-edge、O K-edge sXAS 譜圖;(e, f)循環(huán)后的鈷酸鋰的TEM表征;(g-i)循環(huán)后的鈷酸鋰的AFM表征;(j)4.65 V 浮充測(cè)試。 4. 添加劑對(duì)鈷酸鋰正極的影響首圈充放電的原位XRD中,充電至4.65 V處,發(fā)現(xiàn)base電解液中的LCO的H1-3相更少,脫鋰量更少,相同充電容量的條件下,說(shuō)明電解液氧化分解貢獻(xiàn)部分更多。O3/H1-3相變通常被認(rèn)為是不利相變,但事實(shí)上,H1-3相變是4.6V以上脫鋰過(guò)程的必然產(chǎn)物,真正導(dǎo)致結(jié)構(gòu)畸變的應(yīng)該是Co3O4尖晶石相的積累。 硬線是探測(cè)Co-O和Co-Co共價(jià)結(jié)構(gòu)的有利工具,對(duì)充電到4.65 V的鈷酸鋰正極片進(jìn)行表征,近邊顯示,base和含有添加劑的電解液中,Co的價(jià)態(tài)區(qū)別不大;拓展邊顯示,有添加劑的Co-O配位數(shù)更接近6,說(shuō)明保持更多CoO6層板。通過(guò)XRD、Raman、HRTEM都顯示,含有添加劑的LCO正極經(jīng)過(guò)長(zhǎng)循環(huán)后的結(jié)構(gòu)保持得更好。綜上,加了添加劑后,雖然O/H相變更多,但層狀結(jié)構(gòu)保持得更好。18554e9e-0e49-11ed-ba43-dac502259ad0.png圖4 (a, b) 首圈原位XRD,4.65 V處(003)峰的擬合分別代表O3和H1-3;(c-e) Co K-edge sXAS的近邊、拓展邊,擬合出的Co-O配位數(shù)越接近4,說(shuō)明Co3O4尖晶石越多,越接近6,說(shuō)明CoO6層狀結(jié)構(gòu)越多;(f, g)長(zhǎng)循環(huán)后的鈷酸鋰的HRTEM圖像。 5. 負(fù)極上的Co shuttle以及電解液還原分解長(zhǎng)循環(huán)后,base電解液中半電池的鋰片腐蝕更明顯。ICP結(jié)果顯示,加了添加劑后,Co loss被大大抑制。 EC脫氫會(huì)產(chǎn)生水,引發(fā)LiPF6的水解從而產(chǎn)生HF,而HF會(huì)加劇Co溶解,shuttle到負(fù)極來(lái)的Co會(huì)催化電解液的電化學(xué)還原。從重水萃取液態(tài)核磁結(jié)果來(lái)看,19F譜中,base電解液中的HF、鋰鹽分解產(chǎn)物PFxOy更多,和ICP結(jié)果對(duì)應(yīng),說(shuō)明添加劑抑制EC脫氫,使得HF以及HF導(dǎo)致的Co溶解問(wèn)題被緩解;1H譜中,base電解液中EC的電催化還原產(chǎn)物LEDC、LEMC更多,說(shuō)明shuttle到負(fù)極的Co導(dǎo)致的電解液還原分解更嚴(yán)重。 從循環(huán)后的鋰片的冷凍電鏡圖像可發(fā)現(xiàn),Base電解液中SEI的主要是無(wú)定形的有機(jī)組分,含有添加劑的SEI中無(wú)機(jī)組分(LiF、Li2O、Li2CO3)更多,說(shuō)明加了添加劑后,負(fù)極的副反應(yīng)被抑制。18701f12-0e49-11ed-ba43-dac502259ad0.png圖5 (a) 循環(huán)后的半電池中的鋰片;(b)對(duì)溶解在電解液和沉積在鋰負(fù)極上的Co的ICP測(cè)試;(c, d) 重水萃取的液態(tài)核磁的19F、1H譜;(e, f)循環(huán)后的鋰負(fù)極的冷凍電鏡圖像。 6. 全電池性能LCO/Gr扣電全電池中,200圈的容量保持率為83%;1 Ah的LCO/Gr軟包電池中,能量密度達(dá)到250 Wh/kg,200圈的容量保持率仍有99%;1.46 Ah的LCO/SiO軟包電池中,采用全極耳技術(shù),實(shí)現(xiàn)3C高倍率,400圈后容量保持率80%。188d31d8-0e49-11ed-ba43-dac502259ad0.png圖6 (a) LCO/石墨扣電全電池;(b)1 Ah的LCO/石墨軟包全電池;(c)1.46 Ah的LCO/SiO軟包全電池。
審核編輯:彭靜

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原文標(biāo)題:廈門(mén)大學(xué)喬羽課題組:4.65V高壓鈷酸鋰,針對(duì)抑制EC脫氫的電解液添加劑設(shè)計(jì)

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