携手名校发表国际顶刊，探究锂电池寿命延长的奥秘

导读

在碳中和大背景下，新能源汽车在中国得到了高速发展。对于新能源汽车而言，核心组成部分之一就是其动力来源——锂电池，而锂电池的寿命在很大程度上决定了新能源汽车的使用寿命，如何延长锂电池寿命也就成为大家关注的重点。近期，加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）卢云峰教授课题组设计提出一种基于高热稳定的二维有机金属框架（MOF）材料，作为电解液的全能调控剂。研究表明，MOF能够有效吸附阴离子、富集电解液、大大提升锂离子电导率。并且，这种电解液调控剂在电场作用下能够植入在电极表面，形成低电荷转移阻抗的界面同时抵抗浓差极化，避免电解液在电极表面耗尽的发生。该研究成果发表在国际顶尖期刊Advanced Materials上。岛津上海分析中心刘仁威博士使用扫描探针显微镜SPM-9700HT，完成了嵌有电解液调控剂锂金属表面的弹性模量的测量工作。

研究成果快览

在锂电池中，由于电解液的传质过程（浓差极化和离子电阻引起的欧姆极化）引起的极化可能占总极化的近一半。此外，普遍存在的浓差极化可能导致电解液耗尽和副反应加剧，这进一步加剧了活化极化，缩短了电池的寿命。在这种情况下，减轻电解质的极化对车辆使用的电池和运输车队的电气化至关重要。然而，目前的大多数策略未能以协同的方式缓解这些极化现象。

基于此，该工作提出了一个使用二维MOF作为电解液调控剂（简称MEM）的全方位的解决方案(图2(a-b))。在电解液中的离子传输方面，从图2(c)可知，在商业电解液中加入极低浓度（0.2 wt%）的MEM可以有效提高其锂离子迁移数tLi+（0.76，一般商用电解液普遍低于0.5），同时基本保持其离子电导率（高达9 mS cm-1）。在电解液界面方面，经证明，若电解液中的阴离子可以被MOF金属阳离子中心固定，同时锂离子可以在固体电解质膜表面自由移动，一个局部电场将被建立，以有效地吸引周围的锂离子并抑制浓差极化。这种电场调控策略也可被沿用于金属电池，因为浓差极化是导致枝晶生长的一个主要原因。在商业软包电池测试中，MEM调控剂可以大大延长电池的寿命，从350次延长至3000次（2C），并在模仿电动车的真实充放电条件下，展现出了优异的功率输出、能源效率和循环寿命等性能。

图2 基于二维MOF的电解液调控剂(MEM)创新亮点

（a）调控剂作用机制示意图；（b）调控剂提升多种电解液中锂离子电导率（LFS: LiTFSI in DOL/DME；LPF: LiPF6 in EC/DEC；LBF: LiBF4 in PC）；（c）调控剂显著降低了电解液-锂电极界面阻抗的活化能，即加速界面电荷转移。

文中采用岛津扫描探针显微镜SPM-9700HT表征了基于MEM电解液的锂金属对称电池充放电后，在锂金属表面的SEI膜（图3 (a-c)，SEM）的机械强度。图3 (a-c)表明在存在MEM时，经过25次循环后所形成的界面相对不致密，并均匀地结合了 MEM 颗粒。由图3 (d)可以看到，锂金属表面的SEI膜的弹性模量为23.472 GPa，远高于使用普通商用电解液形成的SEI（通常在0.63 GPa左右），也高于6.0 GPa的锂枝晶阈值。表明嵌入锂金属电极表面的MEM调控剂电极和电解质界面的片层状形貌和高的机械性能，能有效抑制锂枝晶的生长。

图3 电解液调控剂与锂金属电极循环后的界面表征。

（a-c）扫描电子显微镜 (SEM)照片；（d）嵌有电解液调控剂锂金属表面的弹性模量（SPM表征）

岛津SPM,科研好帮手

专家心声

文章通讯作者沈力博士表示：“本文首次提出了一种基于二维MOF作为电解液调控剂全方位抑制电池中极化现象的解决方案。为了探究金属锂在电化学沉积过程中的枝晶生长行为以及形成的电极-电解质界面的机械强度，分别采用SPM的动态模式以及纳米力学测量软件表征了电池循环后的锂负极表面形成的界面以及弹性模量。本工作是在岛津公司上海分析中心刘仁威博士的帮助下进行的，非常感谢岛津分析中心提供的大力帮助，希望以后还能有更多的机会继续与岛津合作，从而取得更多成果。”

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