正文
为了筛选适用于宽温域高电压的碳酸酯溶剂,溶剂与锂离子的结合能,静电势最大值和静电势最小值等参数被作为筛选准则选定了PC, EMC, DMC, FEC作为电解液的溶剂,并验证了基础电解液和设计的电解液的溶剂化结构极其去溶剂化能垒,以及设计的电解液中阴离子优先分解的特性。
图2. 电解液组分的筛选和不同电解液的溶剂化结构。
之后,我们在实验上验证了设计的电解液的热稳定性以及在低温(-90
o
C)下的液体形态。此外,设计的电解液由于其低粘度和合理的溶剂和锂盐组合在低温下具备更高的锂离子电导率。
图3. 不同电解液的物化性质。
之后我们以LCO为正极组装了电池来验证设计的电解液的电化学性能。在充电截止电压为4.6V时,无论在室温(25
o
C)下还是在高温(45
o
C)下,设计的电解液都实现了优异的循环稳定性。特别地,在不同的低温温度下,设计的电解液都实现了更高的循环可逆容量发挥,并在-60
o
C下实现了近50%保持率的放电容量发挥。石墨负极在设计的电解液中也展现了优异的宽温域性能,最终石墨钴酸锂全电池在4.6V的充电截止电压条件下展现了500圈后88.1%的容量保持率。
图4. 不同电解液的电化学性能。
LCO的高电压稳定性被认为是源于阴离子诱导的富含无机物的CEI。我们首先通过原位红外验证了设计的电解液中阴离子优先分解的成膜过程,并通过XPS和TEM验证了其形成的富含LiF的更为致密均一的CEI。阴离子诱导的CEI在循环后在形貌上和组分上保持稳定,抑制了电解液的持续分解,验证了新型三元锂盐构建有效的CEI钝化层的能力。
图5. 设计的电解液的CEI形成过程和不同电解液形成的CEI的性质。
此外,阴离子诱导的高惰性CEI进一步抑制了高电压下LCO正极的不可逆相转变过程,保护了LCO正极的界面稳定性,促进LCO正极的高电压稳定循环。HR-TEM证实了阴离子诱导的CEI使得LCO正极表面在循环后具有更多的层状结构而不是尖晶石相和岩盐相结构。