不可燃!长寿命!南开大学陈军院士团队Angew.:高安全、长寿命锂离子电池最新进展!

锂电联盟会长 2024-10-12 12:41

点击左上角“锂电联盟会长”,即可关注!

 
锂离子电池(LIBs)是能源存储系统中的关键技术,对于实现可持续社会和“碳中和”愿景至关重要。然而,传统的LIBs由于碳酸酯基电解质的高易燃性而存在严重的安全隐患。为了降低这些安全风险,引入阻燃化合物如磷酸酯和高氟化合物被认为是一种有希望的策略。磷酸酯因其与碳酸酯的高相容性和低成本而显示出潜力,但在LIBs中使用磷酸酯化学品存在几个挑战,例如三乙基磷酸酯(TEP)显示出较差的固体电解质界面(SEI)形成能力,导致溶剂共插层和持续的电解质分解,从而缩短了电池的循环寿命。此外,TEP与Li+的强亲和力导致了高的去溶剂化能垒,限制了电池的倍率性能。近日,南开大学陈军团队提出了一种新型的单氟磷酸酯共溶剂,二乙基氟磷酸酯(DEFP),它通过独特的P-F键,有效地调节了磷酸酯与Li+的相互作用,从而降低了去溶剂化能垒,并促进了坚固且富含无机物的SEI层的形成。通过密度泛函理论(DFT)计算证实了DEFP与TEP相比,与Li+的相互作用更弱,并通过一系列实验,包括FT-IR、XPS、NMR和MD模拟等,深入分析了DEFP在电解质中的行为和对电池性能的影响。实验结果表明,含有DEFP的电解质在石墨阳极上形成了更加均匀和稳定的SEI层,提高了电池的循环稳定性和倍率性能,并且在安全性方面展现出了优异的热稳定性和阻燃性能。这项工作不仅为提高LIBs的安全性和性能提供了新的思路,也为未来锂离子电池的商业化应用奠定了基础。
该成果以"Monofluorinated Phosphate with Unique P-F Bond for Nonflammable and Long-Life Lithium-Ion Batteries"为题发表在《Angew.andte Chemie International Edition》期刊,第一作者是Wang Yuankun。
【工作要点】
本文的核心要点在于介绍了一种新型的单氟磷酸酯共溶剂DEFP,该共溶剂通过其独特的P-F键,有效降低了与锂离子的离子-偶极相互作用,从而减少了电解质的去溶剂化能垒,并促进了在石墨阳极表面形成更加坚固和富含无机物的固体电解质界面(SEI)。此外,DEFP由于其P-F键的固有阻燃特性,提高了电解质的热稳定性。实验结果表明,含有DEFP的电解质相较于传统的三乙基磷酸酯(TEP)基电解质和商业碳酸酯电解质,在LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 || 石墨全电池中展示了更好的循环稳定性和倍率性能。即使在较低的电解液/正极(E/C)比条件下,装配有DEFP基电解质的软包电池也表现出了优异的循环稳定性和容量保持率。这些发现为开发更安全、更长寿命的锂离子电池提供了新的方法。    
图1:DEFP的设计概念和分子特性。a) 商业碳酸酯、TEP和DEFP的优势和问题的示意图。b) 各种磷酸酯中P=O键氧原子的电荷。插入图为DEFP、DE1FEP、DE2FEP和DETFEP的分子结构。c) 各种电解液溶剂的HOMO/LUMO能级。d) Li+-TEP和Li+-DEFP的静电势(ESP)和相应的结合能。Li: 蓝色,O: 红色,P: 棕色,F: 水绿色,C: 深灰色,H: 灰色。e) 各种溶剂的23Na位移作为溶剂DN的函数。DMC: 碳酸二甲酯,DME: 二甲氧基乙烷,DMAc: 乙酰丙酮,DMSO: 二甲基亚砜。    
图2:TEP基电解液和DEFP基电解液的溶剂化能力分析。a-d) D-EC/DEC/TEP (a, c) 和 D-EC/DEC/DEFP (b, d) 在不同波数下的FT-IR图谱。e) D-EC/DEC/TEP和D-EC/DEC/DEFP的拉曼图谱。f) D-EC/DEC/TEP和D-EC/DEC/DEFP的NMR 7Li图谱。    
图3:电解液的溶剂化结构和电解液性质。D-EC/DEC/TEP (a) 和 D-EC/DEC/DEFP (b) 电解液的典型分子动力学(MD)模拟快照。原子颜色:C: 青色,H: 白色,O: 红色,F: 玫瑰红,P: 棕色,Li: 银色。D-EC/DEC/TEP (c) 和 D-EC/DEC/DEFP (d) 电解液的径向分布函数(RDF,实线,左垂直轴)和配位数(CN,虚线,右垂直轴)。e) 使用D-EC/DEC/TEP(左)和D-EC/DEC/DEFP(右)电解液的Li||Gr半电池的原位DRT分析。    
图4:不同电解液中形成的SEI的TEM图像。在D-EC/DEC/TEP (a) 和 D-EC/DEC/DEFP (b) 电解液中循环50次后的Gr电极。c) 和 d) 分别为在50次循环后不同溅射时间下形成的SEI的典型XPS C 1s (c) 和 F 1s (d) 图谱。e) 和 f) 分别为在50次循环后不同溅射时间下形成的D-EC/DEC/TEP和D-EC/DEC/DEFP电解液中的SEI的原子组成比。    
图5:两种电解液中SEI的演变。a) 使用D-EC/DEC/TEP电解液的Li||Gr半电池的放电曲线(左)和原位FT-IR (a)。b) 使用D-EC/DEC/DEFP电解液的Li||Gr半电池的放电曲线(左)和原位FT-IR (b)。c) 在D-EC/DEC/TEP和D-EC/DEC/DEFP中形成的SEI成分的示意图。
图6:电化学性能和安全测试。a) 使用D-EC/DEC/TEP和D-EC/DEC/DEFP电解液的Li||Gr半电池的倍率性能。b) 使用各种电解液的NCM811||Gr纽扣全电池的循环稳定性和库仑效率。c) 在D-EC/DEC/DEFP电解液中的NCM811||Gr软包全电池的循环性能。N/P比为1.03,E/C比约为3.45 g Ah-1。图6c中的插入图为软包电池的示意图。d) 图6c中软包电池的充放电曲线。e, f) 使用D-EC/DEC/TEP (e) 和 D-EC/DEC/DEFP (f) 电解液的充满电软包电池的穿钉实验。在穿钉期间(左)和之后(右)。g) 与不同电解液混合的锂化石墨的DSC曲线。负极和电解液的比例为2 mg: 4 µL。插入图为DEFP的阻燃机制。    
【结论】
总之,研究人员提出了一种含有独特P-F键的共溶剂DEFP,以平衡NCM811||Gr电池的安全性和电化学性能。电解质表征揭示,与TEP相比,DEFP具有更弱的离子-偶极相互作用,这降低了电极表面的去溶剂化能垒。进一步的界面和动力学分析表明,DEFP促进了由于较低的LUMO能级而形成的坚固且富含LiF的SEI,从而实现了低界面传输阻抗。更重要的是,与TEP基电解质相比,DEFP基电解质在与锂化石墨混合时显示出更好的热稳定性。因此,配制的DEFP基电解质赋予了Gr阳极增强的容量稳定性和倍率性能,超过了TEP基电解质和商业碳酸酯电解质。NCM811||Gr全电池在300个循环后显示出84.9%的卓越容量保持率,代表了最先进的电化学性能。1.16 Ah NCM811||Gr软包电池在低E/C比为3.45 g Ah-1的情况下,在200个循环后也显示出94.2%的高容量保持率。这项工作强调了P-F化学在磷酸酯基电解质中结合LIBs的安全性和电化学性能的重要性。
Yuankun Wang, Yintong Zhao, Shu Zhang, Long Shang, Youxuan Ni, Yong Lu, Yixin Li, Zhenhua Yan, Zhiwei Miao, and Jun Chen. "Monofluorinated Phosphate with Unique P-F Bond for Nonflammable and Long-Life Lithium-Ion Batteries," Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202412108.    
DOI: 10.1002/anie.202412108.

锂电联盟会长向各大团队诚心约稿,课题组最新成果、方向总结、推广等皆可投稿,请联系:邮箱libatteryalliance@163.com或微信Ydnxke。
相关阅读:
锂离子电池制备材料/压力测试
锂电池自放电测量方法:静态与动态测量法
软包电池关键工艺问题!
一文搞懂锂离子电池K值!
工艺,研发,机理和专利!软包电池方向重磅汇总资料分享!
揭秘宁德时代CATL超级工厂!
搞懂锂电池阻抗谱(EIS)不容易,这篇综述值得一看!
锂离子电池生产中各种问题汇编
锂电池循环寿命研究汇总(附60份精品资料免费下载)


锂电联盟会长 研发材料,应用科技
评论
  • 自动化已成为现代制造业的基石,而驱动隔离器作为关键组件,在提升效率、精度和可靠性方面起到了不可或缺的作用。随着工业技术不断革新,驱动隔离器正助力自动化生产设备适应新兴趋势,并推动行业未来的发展。本文将探讨自动化的核心趋势及驱动隔离器在其中的重要角色。自动化领域的新兴趋势智能工厂的崛起智能工厂已成为自动化生产的新标杆。通过结合物联网(IoT)、人工智能(AI)和机器学习(ML),智能工厂实现了实时监控和动态决策。驱动隔离器在其中至关重要,它确保了传感器、执行器和控制单元之间的信号完整性,同时提供高
    腾恩科技-彭工 2025-01-03 16:28 166浏览
  • 在快速发展的能源领域,发电厂是发电的支柱,效率和安全性至关重要。在这种背景下,国产数字隔离器已成为现代化和优化发电厂运营的重要组成部分。本文探讨了这些设备在提高性能方面的重要性,同时展示了中国在生产可靠且具有成本效益的数字隔离器方面的进步。什么是数字隔离器?数字隔离器充当屏障,在电气上将系统的不同部分隔离开来,同时允许无缝数据传输。在发电厂中,它们保护敏感的控制电路免受高压尖峰的影响,确保准确的信号处理,并在恶劣条件下保持系统完整性。中国国产数字隔离器经历了重大创新,在许多方面达到甚至超过了全球
    克里雅半导体科技 2025-01-03 16:10 122浏览
  • PLC组态方式主要有三种,每种都有其独特的特点和适用场景。下面来简单说说: 1. 硬件组态   定义:硬件组态指的是选择适合的PLC型号、I/O模块、通信模块等硬件组件,并按照实际需求进行连接和配置。    灵活性:这种方式允许用户根据项目需求自由搭配硬件组件,具有较高的灵活性。    成本:可能需要额外的硬件购买成本,适用于对系统性能和扩展性有较高要求的场合。 2. 软件组态   定义:软件组态主要是通过PLC
    丙丁先生 2025-01-06 09:23 68浏览
  • 在测试XTS时会遇到修改产品属性、SElinux权限、等一些内容,修改源码再编译很费时。今天为大家介绍一个便捷的方法,让OpenHarmony通过挂载镜像来修改镜像内容!触觉智能Purple Pi OH鸿蒙开发板演示。搭载了瑞芯微RK3566四核处理器,树莓派卡片电脑设计,支持开源鸿蒙OpenHarmony3.2-5.0系统,适合鸿蒙开发入门学习。挂载镜像首先,将要修改内容的镜像传入虚拟机当中,并创建一个要挂载镜像的文件夹,如下图:之后通过挂载命令将system.img镜像挂载到sys
    Industio_触觉智能 2025-01-03 11:39 115浏览
  • 随着市场需求不断的变化,各行各业对CPU的要求越来越高,特别是近几年流行的 AIOT,为了有更好的用户体验,CPU的算力就要求更高了。今天为大家推荐由米尔基于瑞芯微RK3576处理器推出的MYC-LR3576核心板及开发板。关于RK3576处理器国产CPU,是这些年的骄傲,华为手机全国产化,国人一片呼声,再也不用卡脖子了。RK3576处理器,就是一款由国产是厂商瑞芯微,今年第二季推出的全新通用型的高性能SOC芯片,这款CPU到底有多么的高性能,下面看看它的几个特性:8核心6 TOPS超强算力双千
    米尔电子嵌入式 2025-01-03 17:04 48浏览
  • 本文介绍Linux系统更换开机logo方法教程,通用RK3566、RK3568、RK3588、RK3576等开发板,触觉智能RK3562开发板演示,搭载4核A53处理器,主频高达2.0GHz;内置独立1Tops算力NPU,可应用于物联网网关、平板电脑、智能家居、教育电子、工业显示与控制等行业。制作图片开机logo图片制作注意事项(1)图片必须为bmp格式;(2)图片大小不能大于4MB;(3)BMP位深最大是32,建议设置为8;(4)图片名称为logo.bmp和logo_kernel.bmp;开机
    Industio_触觉智能 2025-01-06 10:43 72浏览
  • 物联网(IoT)的快速发展彻底改变了从智能家居到工业自动化等各个行业。由于物联网系统需要高效、可靠且紧凑的组件来处理众多传感器、执行器和通信设备,国产固态继电器(SSR)已成为满足中国这些需求的关键解决方案。本文探讨了国产SSR如何满足物联网应用的需求,重点介绍了它们的优势、技术能力以及在现实场景中的应用。了解物联网中的固态继电器固态继电器是一种电子开关设备,它使用半导体而不是机械触点来控制负载。与传统的机械继电器不同,固态继电器具有以下优势:快速切换:确保精确快速的响应,这对于实时物联网系统至
    克里雅半导体科技 2025-01-03 16:11 176浏览
  • 彼得·德鲁克被誉为“现代管理学之父”,他的管理思想影响了无数企业和管理者。然而,关于他的书籍分类,一种流行的说法令人感到困惑:德鲁克一生写了39本书,其中15本是关于管理的,而其中“专门写工商企业或为企业管理者写的”只有两本——《为成果而管理》和《创新与企业家精神》。这样的表述广为流传,但深入探讨后却发现并不完全准确。让我们一起重新审视这一说法,解析其中的矛盾与根源,进而重新认识德鲁克的管理思想及其著作的真正价值。从《创新与企业家精神》看德鲁克的视角《创新与企业家精神》通常被认为是一本专为企业管
    优思学院 2025-01-06 12:03 75浏览
  • 在智能家居领域中,Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、Thread与Z-Wave等无线通信协议是构建短距物联局域网的关键手段,它们常在实际应用中交叉运用,以满足智能家居生态系统多样化的功能需求。然而,这些协议之间并未遵循统一的互通标准,缺乏直接的互操作性,在进行组网时需要引入额外的网关作为“翻译桥梁”,极大地增加了系统的复杂性。 同时,Apple HomeKit、SamSung SmartThings、Amazon Alexa、Google Home等主流智能家居平台为了提升市占率与消费者
    华普微HOPERF 2025-01-06 17:23 86浏览
  •     为控制片内设备并且查询其工作状态,MCU内部总是有一组特殊功能寄存器(SFR,Special Function Register)。    使用Eclipse环境调试MCU程序时,可以利用 Peripheral Registers Viewer来查看SFR。这个小工具是怎样知道某个型号的MCU有怎样的寄存器定义呢?它使用一种描述性的文本文件——SVD文件。这个文件存储在下面红色字体的路径下。    例:南京沁恒  &n
    电子知识打边炉 2025-01-04 20:04 76浏览
  • 光耦合器,也称为光隔离器,是一种利用光在两个隔离电路之间传输电信号的组件。在医疗领域,确保患者安全和设备可靠性至关重要。在众多有助于医疗设备安全性和效率的组件中,光耦合器起着至关重要的作用。这些紧凑型设备经常被忽视,但对于隔离高压和防止敏感医疗设备中的电气危害却是必不可少的。本文深入探讨了光耦合器的功能、其在医疗应用中的重要性以及其实际使用示例。什么是光耦合器?它通常由以下部分组成:LED(发光二极管):将电信号转换为光。光电探测器(例如光电晶体管):检测光并将其转换回电信号。这种布置确保输入和
    腾恩科技-彭工 2025-01-03 16:27 171浏览
  • 根据Global Info Research项目团队最新调研,预计2030年全球封闭式电机产值达到1425百万美元,2024-2030年期间年复合增长率CAGR为3.4%。 封闭式电机是一种电动机,其外壳设计为密闭结构,通常用于要求较高的防护等级的应用场合。封闭式电机可以有效防止外部灰尘、水分和其他污染物进入内部,从而保护电机的内部组件,延长其使用寿命。 环洋市场咨询机构出版的调研分析报告【全球封闭式电机行业总体规模、主要厂商及IPO上市调研报告,2025-2031】研究全球封闭式电机总体规
    GIRtina 2025-01-06 11:10 80浏览
  • 这篇内容主要讨论三个基本问题,硅电容是什么,为什么要使用硅电容,如何正确使用硅电容?1.  硅电容是什么首先我们需要了解电容是什么?物理学上电容的概念指的是给定电位差下自由电荷的储藏量,记为C,单位是F,指的是容纳电荷的能力,C=εS/d=ε0εrS/4πkd(真空)=Q/U。百度百科上电容器的概念指的是两个相互靠近的导体,中间夹一层不导电的绝缘介质。通过观察电容本身的定义公式中可以看到,在各个变量中比较能够改变的就是εr,S和d,也就是介质的介电常数,金属板有效相对面积以及距离。当前
    知白 2025-01-06 12:04 110浏览
  • 每日可见的315MHz和433MHz遥控模块,你能分清楚吗?众所周知,一套遥控设备主要由发射部分和接收部分组成,发射器可以将控制者的控制按键经过编码,调制到射频信号上面,然后经天线发射出无线信号。而接收器是将天线接收到的无线信号进行解码,从而得到与控制按键相对应的信号,然后再去控制相应的设备工作。当前,常见的遥控设备主要分为红外遥控与无线电遥控两大类,其主要区别为所采用的载波频率及其应用场景不一致。红外遥控设备所采用的射频信号频率一般为38kHz,通常应用在电视、投影仪等设备中;而无线电遥控设备
    华普微HOPERF 2025-01-06 15:29 81浏览
  • 车身域是指负责管理和控制汽车车身相关功能的一个功能域,在汽车域控系统中起着至关重要的作用。它涵盖了车门、车窗、车灯、雨刮器等各种与车身相关的功能模块。与汽车电子电气架构升级相一致,车身域发展亦可以划分为三个阶段,功能集成愈加丰富:第一阶段为分布式架构:对应BCM车身控制模块,包含灯光、雨刮、门窗等传统车身控制功能。第二阶段为域集中架构:对应BDC/CEM域控制器,在BCM基础上集成网关、PEPS等。第三阶段为SOA理念下的中央集中架构:VIU/ZCU区域控制器,在BDC/CEM基础上集成VCU、
    北汇信息 2025-01-03 16:01 193浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦