青島能源所在下一代高能鋰電池電解液和黏結劑領域取得進展

青島儲能院采用含有大量苯酚基團的可再生木質素作為新型功能黏結劑用于5V高電壓鎳錳酸鋰正極材料，該新型正極材料的循環(huán)性能得到大幅提高。

市場和消費者對電動汽車和便攜式電子產(chǎn)品的續(xù)航里程的高度關注，驅動著鋰離子電池能量密度的不斷提升。提升鋰離子電池能量密度最常用的策略是開發(fā)新型高電壓高容量正極材料（如鎳錳酸鋰、高電壓鈷酸鋰、高電壓三元材料等）或高容量的負極材料（如硅碳材料）。但是，這些新型電極材料與傳統(tǒng)電解液、黏結劑的兼容性差，難以形成穩(wěn)定的界面，成為制約下一代高能鋰離子電池的商業(yè)化進程瓶頸問題之一。依托中國科學院青島生物能源與過程研究所建設的青島儲能產(chǎn)業(yè)技術研究院將下一代高能鋰離子電池及其配套電解液和黏結劑的研究作為主攻研究領域之一。

眾所周知，電解液是鋰離子電池的“血液”，高性能電解液的開發(fā)及電極/電解液界面形成機制的研究將極大地提高下一代高能鋰離子電池的性能。受傳統(tǒng)中醫(yī)藥方和西醫(yī)“藥物協(xié)同聯(lián)用”思想的啟發(fā)，青島儲能院深入發(fā)展“電解液功能添加劑協(xié)同聯(lián)用”策略，實現(xiàn)大幅提升下一代高能鋰離子電池性能目標，如高電壓鈷酸鋰/石墨全電池體系(Energy Technology, 2017, 5, 1979-1989)和5V高電壓鎳錳酸鋰/石墨全電池體系(Advanced Energy Materials, 2018, 8, 1701398)。 這些研究工作雖然對添加劑的協(xié)同作用機制做出了具有指導性的解釋，但局限于非原位技術手段表征，可能無法反映出電極/電解液界面反應的真實狀態(tài)。近年來，原位表征技術的發(fā)展為高性能電解液的開發(fā)及電極/電解液界面形成機制的研究注入了新的活力。氣體是電極/電解液界面反應的重要產(chǎn)物，確定氣體產(chǎn)物并結合界面固態(tài)產(chǎn)物表征分析將實現(xiàn)對電極/電解液界面反應的有效解析，而原位差分電化學質譜法（in-situ DEMS）因能夠實時監(jiān)測定量電池在不同電位下的產(chǎn)氣行為而備受關注（圖1a）。青島儲能院采用in-situ DEMS（Hiden, HPR-20和HPR-40）和理論計算相結合的方法，研究電解液添加劑對高容量硅碳負極中電解液/電極界面反應的影響（圖1b-d），并成功構建5V高電壓鎳錳酸鋰/硅碳全電池體系，這對電解液功能添加劑的發(fā)展和界面研究的深入具有重要指導意義，相關工作以Tracing the Impact of Hybrid Functional Additives on a High-Voltage (5 V-class) SiO_x-C/LiNi_0.5Mn_1.5O₄ Li-ion Battery System 為題目發(fā)表于Chemistry of Materials (2018, 30, 8291-8302)。另外，青島儲能院還自主開發(fā)新型具有大陰離子結構的全氟叔丁氧基三氟硼酸鋰（LiTFPFB）作為電解液主鹽（Chemical Science）。

鋰離子電池電極中黏結劑用量非常少，卻起關鍵作用，但在研究中容易被忽視。聚偏氟乙烯（PVDF）是正極材料最常用的黏結劑。近年來研究發(fā)現(xiàn)，PVDF在高電壓工作條件下不穩(wěn)定，是下一代高能鋰電池性能衰減的一個重要原因。青島儲能院采用含有大量苯酚基團的可再生木質素作為新型功能黏結劑用于5V高電壓鎳錳酸鋰正極材料，該新型正極材料的循環(huán)性能得到大幅提高。經(jīng)充分的實驗論證發(fā)現(xiàn)，木質素黏結劑中的苯酚基團可以消除電解液中的自由基并終止自由基的鏈式反應，從而抑制電解液的氧化分解，構建高穩(wěn)定性的電解液/電極界面，該工作對高電壓正極材料黏結劑的開發(fā)具有里程碑式的指導意義，相關工作以A biomass based free radical scavenger binder endowing a compatible cathode interface for 5 V lithium-ion batteries 為題目在線發(fā)表于Energy & Environmental Science (2018, DOI: 10.1039/c8ee02555j)。

青島儲能院在下一代高能鋰離子電池及其配套電解液和黏結劑的研究領域所取得的成績得到國際同行的高度認可，應邀撰寫關于5V高電壓鎳錳酸鋰電池的綜述（Chemistry of Materials, 2016, 28, 3578-3606）；電解液阻燃劑的綜述（儲能科學與技術,2018, 6(7), 1040-1059）；關于高電壓鈷酸鋰電池的綜述（Chemical Society Reviews, 2018, 47, 6505-6602）；關于三元正極材料聚合物電解質的綜述（Electrochemical Energy Reviews, 2018, 已接收）；關于高性能黏結劑的綜述（Energy Storage Materials, 2018）一系列文章。

相關系列研究獲得國家自然科學基金杰出青年科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中科院納米先導專項、青島市儲能行業(yè)科學研究智庫聯(lián)合基金、國家自然科學基金青年科學基金、山東省自然科學基金、青島能源所“一三五”項目等的大力資助。