Si負極和富鋰正極因其具備高理論比容量, 是下一代高能量密度鋰離子電池電極材料的研究熱點. 但是由於迴圈過程中Si負極巨大的體積膨脹和富鋰正極不可逆的相轉換, 限制了其實際應用.
近日, 韓國蔚山科技大學Jaephil Cho教授, Sung You Hong教授, Nam-Soon Choi教授作為共同通訊作者在Energy & Environmental Science刊表了題為 'Unsymmetrical fluorinatedmalonatoborate as an amphoteric additive for high-energy-density lithium-ionbatteries' 的研究性文章. 研究人員引入對正負極具有雙重修飾作用的電解液添加劑LiFMDFB, 在FEC的輔助下, 改善了基於富鋰正極和矽碳負極的全電池的電化學性能.
圖1: (a): LiFMDFB合成路線圖
(b): EC, FEC, VC, LiDFOB, LiFMDFB等HOMO/LUMO能級比較
對比圖中所列EC, FEC, VC, LiDFOB, LiFMDFB等物質的最高佔有分子軌道(HOMO)能級和最低未佔分子軌道(LUMO)能級, 可以發現LiFMDFB的LUMO能級低於FEC的LUMO能級, 表明LiFMDFB的電子親和性更強, 會在FEC分解之前得電子被還原, 附著在負極材料表面. 同時LiFMDFB相比EC, FEC具有較高的HOMO能級, 優先失電子被氧化. 優先還原同時優先被氧化, 為LiFMDFB在正負極同時生成保護隔層提供了可能. 將其應用於富鋰正極和矽碳負極組裝的全電池, 電池的能量密度, 庫倫效率, 迴圈穩定性均得到了明顯提升. 電池性能的提升得益於LiFMDFB誘導生成的正極保護層防止了富鋰材料的晶間裂紋的生成及由層狀向尖晶石相的不可逆轉變, 同時LiFMDFB+FEC誘導生成的負極SEI膜有效抑制了矽的體積膨脹.
圖2: (a): 有無LiFMDFB添加劑的富鋰/矽碳全電池迴圈穩定性比較
(b): 有無LiFMDFB添加劑的富鋰/矽碳全電池倍率性能比較
圖3: LiFMDFB誘導的保護層對富鋰正極材料保護原理圖
圖4: 富鋰正極材料迴圈後SEM形貌
圖5: LiFMDFB+FEC誘導的SEI層對矽碳負極材料作用對比圖
