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韩国电子技术研究所Goojin Jeong团队：使用非牺牲全氟阴离子添加剂进行界面工程以提高锂离子电池的动力学

时间：2023-02-19 来源：浏览：

韩国电子技术研究所Goojin Jeong团队：使用非牺牲全氟阴离子添加剂进行界面工程以提高锂离子电池的动力学

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第一作者： Hyun-seung Kim

通讯作者： Goojin Jeong

通讯单位：韩国电子技术研究所

【工作简介】

不使用或者过度使用电解液添加剂均会影响SEI膜的电阻，从而导致电池性能下降。因此寻找合适的添加剂是提高电池性能关键因素之一。

近日，韩国电子技术研究所 Goojin Jeong 团队通过使用非牺牲电解质添加剂（LiNFBS）来改善SEI膜的界面化学和结构，具有长全氟阴离子的LiNFBS可以吸附在石墨电极表面并排斥界面处的溶剂和其他添加剂分子，使得SEI膜变得更薄、更均匀，从而降低阻抗，最终提高了石墨/NCM811电池的性能。本工作对后续使用非牺牲电解质添加剂来改性SEI膜提供了借鉴。相关工作以“Interface Engineering with Nonsacrificial Perfluorinated-Anion Additives for Boosting the Kinetics of Lithium-Ion Batteries”为题发表在国际期刊ACS Appl. Mater. Interfaces上。

【文章详情】

图1：(a) 表面保护添加剂作用机理示意图；(b) 常规溶剂和 NFBS 阴离子的最低未占分子轨道 (LUMO) 能级；(c) 在160 Hz电化学阻抗谱获得的零电荷电位；具有 (d) 基本电解质和 (e) 添加 LiNFBS 电解质条件下电极的循环伏安图；(f) 基本电解质和添加 LiNFBS 电解质条件下电极的质量-电压曲线。

LUMO 能级计算，热力学计算和EIS结果表示NFBS 阴离子具有高的LUMO 能级且LiNFBS吸附可以实现抑制石墨电极上EC和EMC还原。LiNFBS的表面保护减少了双层间的电荷转移，从而减少了添加剂的还原分解位点，因此，通过双层结构控制有效地减少了 VC 添加剂的分解。

图2：(a) 初始库仑效率；(b) 基本电解质和添加 LiNFBS 电解质条件下电极容量差异图；(c) 基本电解质和添加 LiNFBS 电解质条件下电极的EIS图（SOC=50%）。

作者研究发现添加 LiNFBS 电解质条件下的石墨/NCM811 电池表现出更高的初始库仑效率；另外，dQ/dV和EIS结果表明LiNFBS 添加剂抑制了VC 的分解，从而降低电池电阻。

图3：(a)基本电解质和添加 LiNFBS 电解质条件下电极的XPS结果；(b) 石墨表面最初SEI膜的高分辨率透射电子显微镜图像。

作者通过XPS分析和TEM测试比较了基本电解质和有添加剂添加情况下形成的SEI膜厚度。结果表明，基本电解质条件下的SEI膜不均匀且厚，而添加 LiNFBS电解质条件下形成的SEI膜均匀且薄，这也证明了LiNFBS 添加剂抑制了VC 的分解，从而降低电池电阻。

图4：基本电解质和添加 LiNFBS 电解质条件下电极的 (a-b) 充放电曲线，(c-d) 半电和全电循环图，(e) 全电倍率图和（f）在2C放电倍率下的放电曲线。

作者通过电化学分析来确定初始SEI膜厚度对石墨/NCM811电池的影响，结果表明添加LiNFBS的石墨/NCM811电池在整个充电和放电曲线范围内极化明显减少，极大地改善了石墨/NCM811电池的充电动力学，这是因为薄的SEI膜减小了电池的内阻并降低了电池的充放电极化。此外，LiNFBS添加剂还可以改善高倍率放电时的电流分布。

图5：基本电解质和添加 LiNFBS 电解质条件下电极的在 (a) 0.2 C和 (b) 0.5 C速率下的放电电压曲线，(c) 对称电池中的EIS图和 (d) 石墨/NCM811 电池中的充放电循环性能。(e) 基本电解质和添加 LiNFBS 电解质条件下电极循环50圈后的SEM图。

作者研究了降低内阻对石墨/NCM81电池低温性能的影响。结果表明，添加 LiNFBS 电池的放电容量明显的增加且内阻明显的降低，并且LiNFBS的引入可以降低反应活化能，这可以有效提高石墨/NCM811电池的低温性能。电化学分析和SEM分析结果也表明在SEI膜形成过程添加剂的加入降低了SEI膜的电阻，从而抑制了低温循环中锂在石墨上的沉积。

【结果与展望】

作者通过使用非牺牲电解质添加剂（LiNFBS）来改善SEI膜的界面化学和结构，具有长全氟阴离子的LiNFBS可以吸附在石墨电极表面并排斥界面处的溶剂和其他添加剂分子，使得SEI膜变得更薄、更均匀，从而降低阻抗，最终提高了石墨/NCM811电池的性能。本工作对后续使用非牺牲电解质添加剂来改性SEI膜提供了借鉴。

Hyun-Seung Kim, Tae Hyeon Kim, Wontak Kim et al. Interface Engineering with Nonsacrificial Perfluorinated-Anion Additives for Boosting the Kinetics of Lithium-Ion Batteries. ACS Appl. Mater. Interfaces (2023).

https://doi.org/10.1021/acsami.2c19694

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