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JAIST用微生物合成電解質(zhì)添加劑 以穩(wěn)定鋰離子電池
時間:2022-12-04 10:59來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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為電動和混合動力汽車、下一代電子器件和電網(wǎng)供電，高能量密度鋰離子電池必不可少。這些鋰離子電池采用基于過渡金屬氧化物的高能量密度正極。在眾多被研究的潛在材料中，LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2正極已被證明在4.5 V（vs Li/Li+）的高電位下具有最佳性能，以及較高的可逆容量。
（圖片來源：日本先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究所）
然而，在這樣的高電位下，商用電解質(zhì)中的碳酸鹽類化合物（碳酸次乙酯和碳酸二乙酯）會出現(xiàn)過度的氧化分解，使正極形成厚厚的正極電解間相（CEI），嚴(yán)重影響其性能。研究人員希望使用電解質(zhì)添加劑，作為掩蔽和穩(wěn)定正極表面的方法。然而，目前的可用材料均存在安全風(fēng)險和環(huán)境危害。
據(jù)外媒報(bào)道，最近，由日本先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究所（JAIST）Noriyoshi Matsumi教授負(fù)責(zé)的研究團(tuán)隊(duì)利用微生物合成了2,5-二甲基-3,6-雙（4-氨基苯基）吡嗪（DMPAB）。這種生物基化合物可作為潛在添加劑，用來穩(wěn)定LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2正極。與現(xiàn)有添加劑相比，DMBAP具有可持續(xù)、環(huán)保、成本低和無毒的優(yōu)勢。
研究人員之一、筑波大學(xué)的Naoki Takaya教授表示：“在電動汽車及鋰離子電池中，生物衍生材料的應(yīng)用還很有限。這項(xiàng)研究重點(diǎn)關(guān)注新型微生物代謝產(chǎn)物，尤其是熒光假單胞菌SBW25基因簇中獨(dú)特的吡嗪衍生二胺DMBAP，這是與助理教授Shunsuke Masuo合作發(fā)現(xiàn)的。作為電解質(zhì)添加劑，這種物質(zhì)或?qū)沙掷m(xù)發(fā)展領(lǐng)域和智能電池產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生影響。”
初步理論評估表明，與通用電解質(zhì)相比，DMBAP分子的最高占有分子軌道（HOMO）位于更高的位置。因此，DMBAP很容易在正極表面被氧化并形成保護(hù)層。此外，DMBAP中的二胺可以抑制CEI溶解。
為了深入進(jìn)行分析，該團(tuán)隊(duì)還對DMBAP進(jìn)行了詳細(xì)的電化學(xué)評估。通過線性掃描伏安法確認(rèn)HOMO帶能，同時X射線光電子光譜顯示氧化電聚反應(yīng)的C−N=C峰。
循環(huán)伏安法和充放電法研究顯示，DMBAP添加劑可提高電池的速率能力、循環(huán)穩(wěn)定性、庫侖效率和容量保留率，從而穩(wěn)定LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2正極。此外，動態(tài)電化學(xué)阻抗譜實(shí)驗(yàn)證明低界面電阻CEI的形成。
在這些研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論，DMBAP發(fā)生了犧牲氧化分解，在正極表面形成了有機(jī)鈍化保護(hù)層。這反過來抑制電解質(zhì)過度降解，從而穩(wěn)定正極上過渡金屬氧化物的結(jié)構(gòu)。
實(shí)際上，這種良性現(xiàn)象使LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2正極的工作電位窗口升高到4.5 V（vs Li/Li+）。此外，在半電池和全電池中，DMBAP對電池系統(tǒng)能起到明顯的穩(wěn)定作用。
Matsumi教授表示：“利用微生物制備吡嗪-胺化合物DMBAP，將提高鋰離子二次電池的性能，還將促進(jìn)大規(guī)模汽車產(chǎn)業(yè)廣泛利用生物基資源。此外，在儲能裝置使用生物基材料，可在制造和操作過程中成倍地減少二氧化碳排放。”
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