【仪表网 研发快讯】双离子电池是一类充电时负极发生阳离子嵌入反应、正极发生阴离子嵌入反应的新型二次电池体系。由于该电池正极和负极均可采用石墨类碳材料作为活性物质，又称双碳电池，具有成本低、功率密度高、环境友好等优点，在大规模储能领域具有良好的应用前景。阴离子插层石墨反应的电位较高(> 5 V vs. Li/Li+)对于电解质材料来说是一个挑战，目前还未有能耐受5.5V电压的高性能电解质材料体系的报道，并且在充电过程中石墨层间共嵌的溶剂分子易发生氧化分解，造成双离子电池循环寿命差，这是阻碍其实际应用的瓶颈问题。
近期，青岛能源所崔光磊研究员带领的固态能源系统技术中心在5.5V高电压双离子电池电解质领域取得了重要进展，创新性地开发了一种碳酸酯类电解液添加剂——六氟戊二酸酐(HFGA)。通过调控石墨正极表面Helmholtz层的阴离子溶剂化结构，HFGA可以明显抑制充电过程中EMC共嵌入行为和氧化分解副反应(图1)。这种策略可显著提升高电压双离子电池的长循环性能，即使在5.5V超高截止电压下，双离子电池循环2000次仍具有92%的容量保持率和超过99%的平均库仑效率。这一突破为高电压双离子电池的商业化应用开辟了新的可能性。
图1. HFGA添加剂调控石墨正极表面Helmholtz层的阴离子溶剂化结构及其对溶剂共嵌行为的影响机制
相关研究成果于近日发表于Angewandte Chemie International Edition期刊上，文章第一作者为韩晓琪博士、姜虹竹博士和穆鹏州博士，通讯作者为崔光磊研究员和张焕瑞副研究员。上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省自然科学基金等项目的支持与资助。
近年来，固态能源系统技术中心聚焦阴离子插层电化学机制科学问题，在高电压双离子电池电解质关键材料体系开发研究中取得突破性进展：构建了基于石墨正极的新型低成本双离子电池体系(J. Power Sources,2020,457,227994)；通过重构阴离子的溶剂化结构抑制高电压双离子电池碳酸酯电解液的氧化分解(Angew. Chem. Int. Ed.,2020,59,21769)；发展了阴离子选择透过性聚合物电解质促进双离子电池石墨正极界面的阴离子去溶剂化过程(Adv. Mater.,2022,34,2108665)；提出了实用化双离子电池的电解液设计策略(ChemSusChem,2023,16,e202201561)；揭示了多价金属离子电解液中石墨正极比容量低的根源来自阴离子嵌入石墨过程中发生了金属阳离子共嵌现象(J. Am. Chem. Soc.,2023,145,12093)。(文/穆鹏州、陈政、张焕瑞 图/穆鹏州)
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