對于使用層狀過渡金屬氧化物正極的高電壓鋰電池，電解液的“化學退化”導致電池性能易發(fā)生快速衰退，對這類電池的實際應用提出了實質(zhì)性的挑戰(zhàn)。電解液的化學退化是指在高電壓循環(huán)過程中，過渡金屬氧化物鋰電池中的電解質(zhì)由于高活性氧和自由基的攻擊而發(fā)生化學分解的現(xiàn)象。目前為止，應對這一問題的策略主要涉及材料表面原子層包覆，或者使固態(tài)電解質(zhì)等。這些方法的目的主要是建立一個物理屏障以減緩電解質(zhì)分解的速度，但并不能實質(zhì)性地抑制電解液的化學退化。更糟糕的是，這些方法往往需要復雜的制備過程和高的工藝成本，或者犧牲電池的能量密度和性能。
在自然界中，化學退化現(xiàn)象無處不在。蘋果褐變、鐵塊生銹和皮膚老化都是活性氧和自由基造成的化學退化現(xiàn)象。為了應對這一化學退化問題，自然界的蕓蕓眾生進化出了很多辦法來應對這個問題。例如，生物體通常會產(chǎn)生不同類型的酶來清除活性氧和自由基，以避免這一問題的發(fā)生。受這些生物體抗氧化應對機制的啟發(fā)，青島能源所固態(tài)能源系統(tǒng)技術中心使用了光穩(wěn)定劑作為一種簡單的、低成本的抗老化粘結(jié)劑添加劑來清除電池循環(huán)中產(chǎn)生的單線態(tài)氧和自由基。
圖1 抗衰老粘結(jié)劑和傳統(tǒng)的PVDF粘結(jié)劑在多種層狀氧化物鋰電池中的性能對比
通過實驗研究和理論計算，研究人員發(fā)現(xiàn)，這種生物啟發(fā)的清除機制可以在高電壓正極表面誘導形成相容性的正極/電解質(zhì)界面，進而在多種層狀過渡金屬氧化物（如鈷酸鋰、富鋰和富鎳氧化物）基鋰電池中表現(xiàn)出卓越的電化學性能（圖1）。
上述工作近日以Supplementary Cover Article形式發(fā)表于《Journal of the American Chemical Society》雜志上。文章第一作者是青島能源所的博士生穆鵬州，通訊作者是青島能源所的崔光磊研究員、董杉木研究員、張煥瑞副研究員。該工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中科院先導專項、山東省人才項目等項目的支持。
Pengzhou Mu,# Huanrui Zhang,#* Hongzhu Jiang, Tiantian Dong, Shu Zhang, Chen Wang, Jiedong Li, Yue Ma, Shanmu Dong,* Guanglei Cui,* J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 18041-18051.
