【儀表網 研發快訊】雙離子電池是一類充電時負極發生陽離子嵌入反應、正極發生陰離子嵌入反應的新型二次電池體系。由于該電池正極和負極均可采用石墨類碳材料作為活性物質，又稱雙碳電池，具有成本低、功率密度高、環境友好等優點，在大規模儲能領域具有良好的應用前景。陰離子插層石墨反應的電位較高(> 5 V vs. Li/Li+)對于電解質材料來說是一個挑戰，目前還未有能耐受5.5V電壓的高性能電解質材料體系的報道，并且在充電過程中石墨層間共嵌的溶劑分子易發生氧化分解，造成雙離子電池循環壽命差，這是阻礙其實際應用的瓶頸問題。
 

　　近期，青島能源所崔光磊研究員帶領的固態能源系統技術中心在5.5V高電壓雙離子電池電解質領域取得了重要進展，創新性地開發了一種碳酸酯類電解液添加劑——六氟戊二酸酐(HFGA)。通過調控石墨正極表面Helmholtz層的陰離子溶劑化結構，HFGA可以明顯抑制充電過程中EMC共嵌入行為和氧化分解副反應(圖1)。這種策略可顯著提升高電壓雙離子電池的長循環性能，即使在5.5V超高截止電壓下，雙離子電池循環2000次仍具有92%的容量保持率和超過99%的平均庫侖效率。這一突破為高電壓雙離子電池的商業化應用開辟了新的可能性。
 

　　圖1. HFGA添加劑調控石墨正極表面Helmholtz層的陰離子溶劑化結構及其對溶劑共嵌行為的影響機制

 

　　相關研究成果于近日發表于Angewandte Chemie International Edition期刊上，文章第一作者為韓曉琪博士、姜虹竹博士和穆鵬州博士，通訊作者為崔光磊研究員和張煥瑞副研究員。上述工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、山東省自然科學基金等項目的支持與資助。
 

　　近年來，固態能源系統技術中心聚焦陰離子插層電化學機制科學問題，在高電壓雙離子電池電解質關鍵材料體系開發研究中取得突破性進展：構建了基于石墨正極的新型低成本雙離子電池體系(J. Power Sources,2020,457,227994)；通過重構陰離子的溶劑化結構抑制高電壓雙離子電池碳酸酯電解液的氧化分解(Angew. Chem. Int. Ed.,2020,59,21769)；發展了陰離子選擇透過性聚合物電解質促進雙離子電池石墨正極界面的陰離子去溶劑化過程(Adv. Mater.,2022,34,2108665)；提出了實用化雙離子電池的電解液設計策略(ChemSusChem,2023,16,e202201561)；揭示了多價金屬離子電解液中石墨正極比容量低的根源來自陰離子嵌入石墨過程中發生了金屬陽離子共嵌現象(J. Am. Chem. Soc.,2023,145,12093)。(文/穆鵬州、陳政、張煥瑞 圖/穆鵬州)