相關(guān)研究表明電極和電解質(zhì)界面的動力學(xué)行為深刻影響著電池的性能（影響離子界面?zhèn)鬏攺亩绊戨娏鳎?，而要充分釋放電池性能潛能，就必須對電極和電解質(zhì)進行設(shè)計優(yōu)化實現(xiàn)離子在兩者界面之間的高效快速傳輸。因此，高性能的電極和電解質(zhì)的開發(fā)設(shè)計成為了電池技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。
麻省理工學(xué)院Yet-Ming Chiang教授研究團隊從常用的鎳錳摻雜的鋰鈷氧復(fù)合電極（LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2，NMC）粉末中分離出單個電極顆粒，通過一系列電子動力學(xué)顯微表征技術(shù)系統(tǒng)研究了其動力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)與六氟磷酸鋰（LiPF6）電解質(zhì)相比，在使用雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰（LiTFSI）電解質(zhì)電池中，離子傳輸效率更高，其交換電流密度大幅提升，是后者的100倍，并通過一系列模擬和實驗探明了潛在的增強機制。研究人員首先通過濕化學(xué)方法制備了NMC復(fù)合塊體電極，隨后從塊體電極分離出單個NMC電極顆粒，置于不同的電解質(zhì)環(huán)境中進行一系列的電化學(xué)性能測試。電化學(xué)阻抗譜和恒電位間隙滴定測試顯示，相比LiPF6電解質(zhì)電池，采用LiTFSI電解質(zhì)電池交換電流密度隨充電電壓增加而增大，最大值提升了近100倍，且充放電可逆，這有助于增強電池性能；在相同鋰鹽濃度下，TFSI-作為陰離子基團時的界面反應(yīng)速率比PF6?至少高一個數(shù)量級。TFSI?電解液的界面反應(yīng)速率在1~5 摩爾濃度之間幾乎沒有發(fā)生變化，即沒有濃度依賴性，而PF6?結(jié)果隨著濃度的增加而急劇下降。單個電極顆粒的性能差異性最終會反應(yīng)到整個宏觀塊體電極上，為此研究人員制備了宏觀的電極測試其在上述兩種電解質(zhì)環(huán)境下的鋰溶劑化結(jié)構(gòu)配位數(shù)，實驗顯示在相同摩爾數(shù)情況下，每個鋰周圍的TFSI?離子數(shù)量高于PF6?，表明TFSI?有更強的與鋰離子配位傾向，這有助于離子在電極和電解質(zhì)界面的快速轉(zhuǎn)移和傳輸。最后研究人員組裝了完整的紐扣電池并進行了電化學(xué)性能表征，在不同的倍率下（1/10 C、1/2C、1C、2C、5C和10C），采用LiTFSI電解質(zhì)電池放電比容量均高于LiPF6電解質(zhì)電池，且前者具備了更好的循環(huán)穩(wěn)定性。
圖1 基于單個NMC顆粒的三電極電池結(jié)構(gòu)示意圖
該項研究通過一系列的表征技術(shù)系統(tǒng)研究了LiPF6和LiTFSI對電解質(zhì)在正極-液體電解質(zhì)界面上的鋰遷移影響機理，即相比前者，后者陰離子基團跟更容易與Li+鍵合，從而提供更快動力學(xué)傳輸?shù)慕缑?，促進離子傳輸進而增強電池性能。為設(shè)計開發(fā)高性能的鋰電池電解質(zhì)提供了重要科學(xué)理論參考。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Nature Energy》[1]。
[1] Bohua Wen, Zhi Deng, Ping-Chun Tsai, et al. Ultrafast ion transportat a cathode–electrolyte interface and its strong dependence on salt solvation. Nature Energy, 2020, DOI: 10.1038/ s41560-020-0647-0)
