为了满足现今电动汽车、特种设备等对储能设备的更高需求，设计具有高能量密度和长循环寿命的锂离子电池极其重要。超快充（XFC）以及低温性能对于高性能锂离子电池的设计极其重要。设计新型电解质、改善正极/电解质界面反应层(CEI)的Li⁺输运、提高氧化物多晶正极材料二次颗粒的结构稳定性，是解决锂离子电池的超快充和低温下，容量快速衰减的有效途径。

基于此，冰球突破化学与化工学院长聘副教授杨文课题组在国际著名期刊Advanced Materials发表题目为“Colloid Electrolyte with Changed Li⁺ Solvation Structure for High-Power, Low-Temperature Lithium-Ion Batteries”的研究论文。 杨文课题组将硫代碳酸锂(LTC)作为添加剂添加到商业上电解液（LE），形成具有丁达尔现象的胶体电解质（CLE）。在胶体电解质中，LTC可与PF₆^-阴离子、有机溶剂之间存在强相互作用；一方面，LTC削弱LiPF₆电解质的阴阳离子间的静电吸引，实现了电解液在室温和低温情况下的高离子电导 (σ_Li⁺ 15 to 4.5 mS cm-1 at 30 and -20 ºC)，另一方面，LTC 与溶剂的强相互作用，锂离子在嵌入正极材料之前的去溶剂化过程，从而实现改善正极界面锂离子输运的目的。此外，由于LTC具有更高的HOMO能级，其易于在多晶的高比能氧化物NCA正极材料的二次颗粒内部，生成具有优良机械力学性能的、超薄（5nm）Li₂CO₃主导致密CEI层。该Li₂Co₃主导CEI层存在于NCA一次颗粒晶界中，可有效解决，由于LE渗透NCA二次内部导致的晶间裂纹产生。由于CLE电解质的上述优点，CLE组装Li/NCA电池，可实现超级快充和低温充放电，其可在10 C的高倍率下循环2000圈，容量保持率为80%。上述电池可在-10 ℃低温下，实现2 C快充，并实现保持长循环，电池低温循环400圈，容量保持率为90%。胶体电解质策略将为XFC 和低温离子电池的正极界面构筑提出新的思路。

胶体电解质增强有机电解质的Li⁺锂离子电导率

图1 (a) LTC 添加剂的合成示意图，(b) 胶体电解质的丁达尔现象，(c-d) 商电解质和胶体电解质的拉曼光谱图，(e) 液体电解质中和胶体电解质不同组分的占比，(f) 不同电解质的核磁⁷Li谱，(g) 不同浓度LTC 胶体电解质的核磁¹⁹F谱，(h)商业电解质和胶体电解质组装Li/NCA电池在70 ℃下循环的库伦效率, (i) 不同浓度的LTC与电导率关系图。

Li₂CO₃ 主导超薄CEI渗透到NCA一次颗粒晶界内部，减少NCA二次晶间裂纹

图2 基于 (a) CLE-1和 (b) LE-1电解液的电池在循环后NCA正极经聚焦离子束切片后的扫描电子显微图, (c-e) 基于CLE-1和 (f-h) LE-1电解液的电池循环后NCA正极在不同放大倍率下的透射电子显微图 (分别包含LiF和Li₂CO₃晶格的傅里叶变换图和对比度曲线图), 基于 (i) CLE-1 和 (j) LE-1电解液的电池在循环后NCA正极的原子力显微图, (k) 原子力显微测试收集到的相应杨氏模量, (i-m) 两种电解液环境下NCA颗粒结构演化示意图。

锂电池的XFC 和低温性能

图3 使用不同电解质电池的倍率性能。 (b) Li | | NCA电池在0.2C和-20℃下的循环性能。(c) 10C下电池的长循环性能。

文章链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202209140