一種在極低溫度下實(shí)現(xiàn)可充電石墨基LIB的替代且有效的方法

鋰離子電池（LIBs）已被廣泛用作便攜式電子產(chǎn)品和電動汽車的主要電源。在國防、極地探索和航空航天任務(wù)等特定應(yīng)用場景中，對LIB在零下溫度下的充電能力（低溫下對LIBs進(jìn)行充放電）提出了更高的要求。但LIB在低溫下的可充電性仍然具有挑戰(zhàn)性，這主要是由于石墨負(fù)極面臨的障礙。

鑒于此，北京航空航天大學(xué)朱禹潔教授利用Li-溶劑共嵌入現(xiàn)象來提高石墨負(fù)極的低溫可充電性。結(jié)果顯示，在未完全剝離鋰離子溶劑化殼的情況下，Li-溶劑共嵌入過程與設(shè)計(jì)電解液中石墨上形成的極薄SEI層相結(jié)合，會導(dǎo)致小界面電阻、低電荷轉(zhuǎn)移活化能（0.23 eV atom-1）。此外，由于石墨層間距離的擴(kuò)大和鋰離子與石墨在Li-溶劑共嵌入時(shí)的相互作用減弱，溶劑化鋰離子在石墨內(nèi)部的擴(kuò)散表現(xiàn)出極低的能壘（~0.09 eV atom-1），這導(dǎo)致幾乎與溫度無關(guān)的化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)。因此，上述優(yōu)勢使石墨||Li半電池能夠在-60℃下穩(wěn)定充放電，并保持73.7%的室溫容量。此外，LiNi0.65Co0.15Mn0.2O2||石墨全電池在低至-60 ?C的溫度下仍具有穩(wěn)定的充放電性能?？傊?，這項(xiàng)工作提出了一種在極低溫度下實(shí)現(xiàn)可充電石墨基LIB的替代且有效的方法。

文章要點(diǎn)：

1. 這項(xiàng)工作通過利用Li-溶劑共嵌入石墨現(xiàn)象，提高了石墨的低溫充電能力。

2. 作者通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算輔助的一系列微觀、光譜和電化學(xué)研究，進(jìn)一步揭示了石墨在Li-溶劑共嵌入時(shí)優(yōu)異低溫性能的潛在機(jī)制。原位X射線衍射（XRD）和電子顯微鏡表征表明，石墨在Li-溶劑共嵌入過程中具有高的結(jié)構(gòu)可逆性和強(qiáng)大的機(jī)械穩(wěn)定性，盡管它經(jīng)歷了大的層間膨脹。透射電子顯微鏡（TEM）與X射線光電子能譜（XPS）相結(jié)合的結(jié)果證實(shí)，在設(shè)計(jì)的電解液中的石墨上形成了非常薄的固體電解質(zhì)界面（SEI）層。與DFT模擬結(jié)果相結(jié)合的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)測試表明，每個(gè)Li與一個(gè)溶劑分子可逆地共嵌入石墨中，并在石墨夾層之間形成雙層 Li-溶劑絡(luò)合物。

3. 此外，作者還采用互補(bǔ)的電化學(xué)方法全面研究了Li-溶劑共嵌入石墨的動力學(xué)。結(jié)果表明，Li-溶劑共嵌入過程具有界面電阻低、電荷轉(zhuǎn)移活化能?。▇0.23 eV atom-1）和溶劑化鋰離子在石墨中幾乎與溫度無關(guān)的化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)的特點(diǎn)，這與從DFT計(jì)算中獲得的非常低的擴(kuò)散勢壘（~0.09 eV atom-1）很好地對應(yīng)。

4. 這些優(yōu)勢賦予了共嵌入過程快速的動力學(xué)和優(yōu)異的低溫性能。最后，得益于設(shè)計(jì)電解液的高氧化穩(wěn)定性（》 5.0 V vs. Li+/Li），NCM||石墨全電池在-60℃時(shí)保持了58.3%的室溫容量，并且充放電性能穩(wěn)定。

圖1 電解液的特性

圖2 石墨||鋰半電池的電化學(xué)性能

圖3 Li-溶劑共嵌入過程的熱力學(xué)和動力學(xué)研究

圖4 全電池性能

審核編輯 ：李倩