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10月19日，東京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種新型鋰離子電池。該電池采用無鈷材料作為正極，硅氧化物作為負(fù)極，能夠達(dá)到4.9伏的最大電壓，并首次實(shí)現(xiàn)了1000次充放電循環(huán)的穩(wěn)定性。這一重大進(jìn)展得益于其獨(dú)特的電解質(zhì)設(shè)計(jì)策略。該設(shè)計(jì)提升了負(fù)極的反應(yīng)電位，有助于形成堅(jiān)固的鈍化層，并提高電解液還原和氧化穩(wěn)定性。

鋰化/脫鋰電位的提高和鈍化層的形成是電解質(zhì)設(shè)計(jì)和電池開發(fā)的關(guān)鍵。LiNi0.5Mn1.5O4作為無鈷正極材料，具有高工作電位（平均4.7伏）和較高理論比容量（每克147毫安時(shí)）的優(yōu)點(diǎn)。然而，LiNi0.5Mn1.5O4在高電位下會(huì)引起電解液氧化、鋁陽極腐蝕和正極材料中過渡金屬溶出等問題。SiOx作為負(fù)極材料，具有理論比容量高（每克1965~4200 毫安時(shí)）、成本低和儲(chǔ)量豐富的優(yōu)勢。然而，其在充放電過程中會(huì)發(fā)生大幅度的體積變化（高達(dá)200%），導(dǎo)致負(fù)極顆粒和表面鈍化層破壞，從而加速電解液降解。

為解決上述問題，研究團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化電池系統(tǒng)的整體電位圖，設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的電解液結(jié)構(gòu)，即濃度為3.4摩爾每升的LiFSI/FEMC (LiN(SO2F)2 /methyl (2,2,2-trifluoroethyl) carbonate)。在該設(shè)計(jì)中，絕大多數(shù)鋰離子與FSI-陰離子緊密結(jié)合，構(gòu)成了致密的離子對(duì)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)破壞了電解液中鋰離子的穩(wěn)定性，從而使負(fù)極反應(yīng)的電勢增加，降低了電解液還原的可能性。通過FSI-陰離子在負(fù)極表面的分解，成功形成了一個(gè)富含無機(jī)物的堅(jiān)固鈍化層。該鈍化層不僅高效地傳導(dǎo)鋰離子，而且機(jī)械和化學(xué)均表現(xiàn)出強(qiáng)穩(wěn)定性，有效地抑制了電解液在負(fù)極表面的進(jìn)一步降解。為了提高正極反應(yīng)的電勢并增強(qiáng)電解液的氧化穩(wěn)定性，團(tuán)隊(duì)還加入了含氟溶劑FEMC。該溶劑降低了對(duì)鋰離子和鋁陽極的侵蝕，有效地減緩了正極材料中的過渡金屬的溶出速度。


該研究為鋰離子電池的持續(xù)高效發(fā)展提供了新的方向，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和綠色電極材料的利用，并有望擴(kuò)展至其他電化學(xué)能源領(lǐng)域。相關(guān)的研究成果已發(fā)表在《Nature Sustainability》期刊中。 

原標(biāo)題：東京大學(xué)研發(fā)一種新型無鈷鋰離子電池