我國科學(xué)家巧用“可樂(lè )”破解鋰電能量焦慮

上海交通大學(xué)講席教授黃富強團隊、清華大學(xué)助理教授董巖皓團隊將三元電池材料浸入可樂(lè )中，發(fā)現二氧化碳氣泡會(huì )定向包裹三元電池材料顆粒，形成部分鋰離子空位，將地球儲量豐富的鈣離子填充進(jìn)空位后生成的表面鈍化層可大幅提升正極材料的穩定性，緩解鋰離子電池能量焦慮。該成果近期發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)材料》。

黃富強介紹，在可樂(lè )中插入一根紙吸管，飲料中的氣泡會(huì )加劇產(chǎn)生、甚至溢出。這是因為粗糙的紙吸管表面為可樂(lè )中的二氧化碳提供了豐富的成核位點(diǎn)，在微觀(guān)結構中形成了連續的二氧化碳膜。

利用該原理，團隊用三元電池材料取代紙吸管，其粗糙表面也會(huì )為二氧化碳氣泡提供豐富的成核位點(diǎn)，促進(jìn)二氧化碳氣泡與三元電池材料的化學(xué)反應，從而生成表面高度均勻的“碳酸鋰基底層”并留下一些鋰離子空位，研究人員將這一過(guò)程稱(chēng)為“氣泡靶向封裝”。

團隊研究發(fā)現，“碳酸鋰基底層”還是室溫下?lián)诫s各種金屬離子的優(yōu)良基底。以地球儲量豐富的鈣為例，將鈣離子摻雜進(jìn)“碳酸鋰基底層”，部分鋰離子空位會(huì )被填充形成具有極高彈性的含鈣離子的碳酸鋰“表面鈍化層”。“表面鈍化層”不僅有助于抵抗三元正極界面間的副反應，抑制氧氣的析出，減少材料相變，提升正極材料的穩定性，還能作為“緩沖器”，緩解電池材料外表面與內部晶界的應力，系統提升電池能量密度。

可樂(lè )氣泡靶向封裝與摻雜金屬離子表面鈍化技術(shù)示意圖(受訪(fǎng)者供圖)

團隊引入“堆積因子”計算模型，用于指導彈性“表面鈍化層”的構建。“堆積因子”簡(jiǎn)單講，就是材料的實(shí)際體積除以所占空間體積。堆積因子的數值越低，意味著(zhù)材料晶體結構的堆積越松散，表面鈍化層的彈性越高。計算結果證實(shí)，鈣、鋁、鍶、稀土離子都是堆積因子較低、能構建出理想的超高彈性表面鈍化層的優(yōu)異摻雜離子。

電池測試表明，三元鋰電在1C倍率、100次循環(huán)后，容量保持率高達91.2%;當電壓進(jìn)一步提升至4.8V時(shí)，三元鋰電正極材料可擁有918Wh/kg的超高能量密度和100次循環(huán)后89.5%的優(yōu)異容量保持率，優(yōu)于市場(chǎng)主流高鎳/超高鎳正極材料。將“氣泡靶向封裝+表面鈍化”界面改性技術(shù)進(jìn)一步推廣，研究團隊發(fā)現，不僅三元鋰電正極材料可以適用于該界面改性技術(shù)，鈷酸鋰、富鋰錳等具有超高能量密度潛力的層狀正極鋰電材料均可適用。