導(dǎo)讀

在碳中和大背景下，新能源汽車在中國(guó)得到了高速發(fā)展。對(duì)于新能源汽車而言，核心組成部分之一就是其動(dòng)力來源——鋰電池，而鋰電池的壽命在很大程度上決定了新能源汽車的使用壽命，如何延長(zhǎng)鋰電池壽命也就成為大家關(guān)注的重點(diǎn)。近期，加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）盧云峰教授課題組設(shè)計(jì)提出一種基于高熱穩(wěn)定的二維有機(jī)金屬框架（MOF）材料，作為電解液的全能調(diào)控劑。研究表明，MOF能夠有效吸附陰離子、富集電解液、大大提升鋰離子電導(dǎo)率。并且，這種電解液調(diào)控劑在電場(chǎng)作用下能夠植入在電極表面，形成低電荷轉(zhuǎn)移阻抗的界面同時(shí)抵抗?jié)獠顦O化，避免電解液在電極表面耗盡的發(fā)生。該研究成果發(fā)表在國(guó)際頂尖期刊Advanced Materials上。島津上海分析中心劉仁威博士使用掃描探針顯微鏡SPM-9700HT，完成了嵌有電解液調(diào)控劑鋰金屬表面的彈性模量的測(cè)量工作。

研究成果快覽

在鋰電池中，由于電解液的傳質(zhì)過程（濃差極化和離子電阻引起的歐姆極化）引起的極化可能占總極化的近一半。此外，普遍存在的濃差極化可能導(dǎo)致電解液耗盡和副反應(yīng)加劇，這進(jìn)一步加劇了活化極化，縮短了電池的壽命。在這種情況下，減輕電解質(zhì)的極化對(duì)車輛使用的電池和運(yùn)輸車隊(duì)的電氣化至關(guān)重要。然而，目前的大多數(shù)策略未能以協(xié)同的方式緩解這些極化現(xiàn)象。

基于此，該工作提出了一個(gè)使用二維MOF作為電解液調(diào)控劑（簡(jiǎn)稱MEM）的全方位的解決方案(圖2(a-b))。在電解液中的離子傳輸方面，從圖2(c)可知，在商業(yè)電解液中加入極低濃度（0.2 wt%）的MEM可以有效提高其鋰離子遷移數(shù)tLi+（0.76，一般商用電解液普遍低于0.5），同時(shí)基本保持其離子電導(dǎo)率（高達(dá)9 mS cm-1）。在電解液界面方面，經(jīng)證明，若電解液中的陰離子可以被MOF金屬陽離子中心固定，同時(shí)鋰離子可以在固體電解質(zhì)膜表面自由移動(dòng)，一個(gè)局部電場(chǎng)將被建立，以有效地吸引周圍的鋰離子并抑制濃差極化。這種電場(chǎng)調(diào)控策略也可被沿用于金屬電池，因?yàn)闈獠顦O化是導(dǎo)致枝晶生長(zhǎng)的一個(gè)主要原因。在商業(yè)軟包電池測(cè)試中，MEM調(diào)控劑可以大大延長(zhǎng)電池的壽命，從350次延長(zhǎng)至3000次（2C），并在模仿電動(dòng)車的真實(shí)充放電條件下，展現(xiàn)出了優(yōu)異的功率輸出、能源效率和循環(huán)壽命等性能。

圖2 基于二維MOF的電解液調(diào)控劑(MEM)創(chuàng)新亮點(diǎn)

（a）調(diào)控劑作用機(jī)制示意圖；（b）調(diào)控劑提升多種電解液中鋰離子電導(dǎo)率（LFS: LiTFSI in DOL/DME；LPF: LiPF6 in EC/DEC；LBF: LiBF4 in PC）；（c）調(diào)控劑顯著降低了電解液-鋰電極界面阻抗的活化能，即加速界面電荷轉(zhuǎn)移。

文中采用島津掃描探針顯微鏡SPM-9700HT表征了基于MEM電解液的鋰金屬對(duì)稱電池充放電后，在鋰金屬表面的SEI膜（圖3 (a-c)，SEM）的機(jī)械強(qiáng)度。圖3 (a-c)表明在存在MEM時(shí)，經(jīng)過25次循環(huán)后所形成的界面相對(duì)不致密，并均勻地結(jié)合了 MEM 顆粒。由圖3 (d)可以看到，鋰金屬表面的SEI膜的彈性模量為23.472 GPa，遠(yuǎn)高于使用普通商用電解液形成的SEI（通常在0.63 GPa左右），也高于6.0 GPa的鋰枝晶閾值。表明嵌入鋰金屬電極表面的MEM調(diào)控劑電極和電解質(zhì)界面的片層狀形貌和高的機(jī)械性能，能有效抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。

圖3 電解液調(diào)控劑與鋰金屬電極循環(huán)后的界面表征。

（a-c）掃描電子顯微鏡 (SEM)照片；（d）嵌有電解液調(diào)控劑鋰金屬表面的彈性模量（SPM表征）

島津SPM,科研好幫手

專家心聲

文章通訊作者沈力博士表示：“本文首次提出了一種基于二維MOF作為電解液調(diào)控劑全方位抑制電池中極化現(xiàn)象的解決方案。為了探究金屬鋰在電化學(xué)沉積過程中的枝晶生長(zhǎng)行為以及形成的電極-電解質(zhì)界面的機(jī)械強(qiáng)度，分別采用SPM的動(dòng)態(tài)模式以及納米力學(xué)測(cè)量軟件表征了電池循環(huán)后的鋰負(fù)極表面形成的界面以及彈性模量。本工作是在島津公司上海分析中心劉仁威博士的幫助下進(jìn)行的，非常感謝島津分析中心提供的大力幫助，希望以后還能有更多的機(jī)會(huì)繼續(xù)與島津合作，從而取得更多成果?！?/p>

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