JAIST用微生物合成電解質添加劑 以穩定鋰離子電池
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：日本先進科學技術研究所）
然而，在這樣的高電位下，商用電解質中的碳酸鹽類化合物（碳酸次乙酯和碳酸二乙酯）會出現過度的氧化分解，使正極形成厚厚的正極電解間相（CEI），嚴重影響其性能。研究人員希望使用電解質添加劑，作為掩蔽和穩定正極表面的方法。然而，目前的可用材料均存在安全風險和環境危害。
據外媒報道，最近，由日本先進科學技術研究所（JAIST）Noriyoshi Matsumi教授負責的研究團隊利用微生物合成了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，用來穩定LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2正極。與現有添加劑相比，DMBAP具有可持續、環保、成本低和無毒的優勢。
研究人員之一、筑波大學的Naoki Takaya教授表示：“在電動汽車及鋰離子電池中，生物衍生材料的應用還很有限。這項研究重點關注新型微生物代謝產物，尤其是熒光假單胞菌SBW25基因簇中獨特的吡嗪衍生二胺DMBAP，這是與助理教授Shunsuke Masuo合作發現的。作為電解質添加劑，這種物質或將對可持續發展領域和智能電池產業產生影響。”
初步理論評估表明，與通用電解質相比，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層。此外，DMBAP中的二胺可以抑制CEI溶解。
為了深入進行分析，該團隊還對DMBAP進行了詳細的電化學評估。通過線性掃描伏安法確認HOMO帶能，同時X射線光電子光譜顯示氧化電聚反應的C−N=C峰。
循環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、循環穩定性、庫侖效率和容量保留率，從而穩定LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2正極。此外，動態電化學阻抗譜實驗證明低界面電阻CEI的形成。
在這些研究結果的基礎上，該團隊得出結論，DMBAP發生了犧牲氧化分解，在正極表面形成了有機鈍化保護層。這反過來抑制電解質過度降解，從而穩定正極上過渡金屬氧化物的結構。
實際上，這種良性現象使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對電池系統能起到明顯的穩定作用。
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，還將促進大規模汽車產業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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