實驗

實驗結(jié)果

1. 循環(huán)穩(wěn)定性

圖1(a)可見，在2.8-4.5V電壓循環(huán)下，0.7Nb-NCM 9055-E1電池容量持續(xù)衰減，500次循環(huán)后容量僅148mAh/g，容量保持率67.3%。E2體系容量則衰減緩慢，500次循環(huán)循環(huán)后容量仍有183mAh/g，容量保持率高達83.7%。

加大截止電壓至4.6V高電壓后，E1體系在約300次循環(huán)后出現(xiàn)嚴重劣化，容量快速下降。這是由于過高電壓會使得電解液-電極之間副反應(yīng)大大加大，影響電解液及負極穩(wěn)定性。E2體系仍保持良好穩(wěn)定性，500次循環(huán)后容量為175mAh/g，容量保持率約80%。

從圖1可見，特制電解液E2能夠顯著提升高壓電池穩(wěn)定性，也就是特制電解液E2與高Ni正極具有良好的相容性。這是由于E2能在正極表面形成堅固的正極/電解液界面(CEI)，同時Nb改性結(jié)構(gòu)進一步增強正極顆粒機械強度，共同抑制微裂紋產(chǎn)生與結(jié)構(gòu)劣化。同時E2體系電池能夠形成穩(wěn)定的SEI層能夠有效抑制鋰枝晶的生長，具有更低副反應(yīng)。

2. 熱穩(wěn)定性

我們采用沃特世-TA儀器的電池循環(huán)微量熱儀解決方案(BCMS)對以上電池進行分析，圖2可見定制電解液E2可大幅減少充放電過程中的產(chǎn)熱。

圖2(a)可知，0.7Nb-NCM 9055正極在C/10脫鋰階段E2熱流略低于E1(見黃色圈出)，在4.5V靜置時兩者產(chǎn)熱均無明顯放熱(藍色圈出)；但C/3嵌鋰階段產(chǎn)熱差異顯著(綠色圈出)，可見E2體系放熱遠少于E1，說明電流倍率是對兩者體系電池充放電產(chǎn)熱帶來差異的的主要因素。也即，定制電解液E2可明顯改善Li｜｜0.7Nb-NMC 9055 電池的高倍率循環(huán)性能。

通過圖2(b)的統(tǒng)計，E2體系充放電總放熱為75mWh/g，遠低于E1的123mWh/g，進一步表明其副反應(yīng)更少，性能更穩(wěn)定，熱安全性更優(yōu)。

3. 實際驗證

如圖3可見，E2體系軟包電池表現(xiàn)優(yōu)異，高負載正極軟包電池在2.8-4.5V下以C/10充電、C/3放電，220次全循環(huán)后容量保持率達84%，證明特制定電解液在鋰金屬與高Ni正極實際電池體系中性能穩(wěn)定，具備實用潛力。

結(jié)論

特制碳酸酯基電解液(E2)與Li｜｜0.7Nb-NMC 9055體系的優(yōu)異相容性源于多重協(xié)同作用：

上述作用共同降低電磁體系電荷電阻，減少副反應(yīng)，降低充放電中的副反應(yīng)產(chǎn)熱。

該定制電解液可顯著提升Li｜｜高Ni三元電池的循環(huán)穩(wěn)定性(500次循環(huán)保持率≥80%)、結(jié)構(gòu)完整性(無明顯顆粒開裂)與熱安全性(放熱減少40%以上)，為實現(xiàn)高能量密度鋰金屬電池的長循環(huán)與實用提供了有效解決方案。

電池循環(huán)微量熱儀解決方案是沃特世-TA儀器近年推出的一款全新循環(huán)微量熱電池檢測系統(tǒng)，可超高靈敏度(熱流分辨率nW)原位無損進行常見電池類型——紐扣電池、軟包電池和圓柱電池——用于并行充電/放電的量熱測試，從而獲取總熱流、熵熱、極化熱和副反應(yīng)熱，通過電池環(huán)境(如電池不同充放電倍率、不同電壓、不同循環(huán)圈數(shù)和不同溫度等)和配方的改變，揭示電池內(nèi)部副反應(yīng)、鋰離子穿插、電池壽命等信息，從而洞察傳統(tǒng)方式不能揭示的信息，加速研發(fā)進程。

本文由TA儀器的王偉華撰寫。