韩国科学家发现延长锂电池寿命的关键

2015年拉斯维加斯消费电子展松下展位上的锂离子电池展示品。(David Becker/Getty Images)

目前使用的富锂/富锰层状氧化物（LMR-NMC）的锂电池，其能量密度比传统使用镍、钴、锰的锂电池要高出20%左右，可以说是一种更经济、更永续的替代方案，因此被视为下一代锂电池（LIB）正极材料。但这种材料使用时间一长，容易释放氧气降低电池的容量和电压，也会对电池整体产生不可逆的结果。

韩国浦项科技大学（POSTECH）电池工程系小组，发现了LMR-NMC中颗粒表面的相变途径与氧稳定性之间的强相关性。他们透过改变锂电池中的富锂层状氧化物耐久性（LLO），可有效延长锂电池的寿命。

为了评估锂电池中的电解质与阴极相互作用后对电化学的影响，他们先是将富锂/富锰层状氧化物（LMR-NMC）半电池与碳酸亚乙酯/碳酸二甲酯（EC/DMC）组成传统的LP30电解质、DMC和LiPF6组成新型的2LPDMC电解质，然后进行长期充放电测试。

结果显示，P30电解质与2LPDMC电解质在LMR-NMC半电池中，起到的作用大不相同。P30电解质容易使LMR-NMC半电池在经历100到300次充放电后，只剩下原本70%的容量，而2LPDMC电解质可以在700次左右充放电后依然维持96.5%的容量。

他们还发现，P30电解质经过长期循环充放电后，显着降低了放电电压，而充电电压则几乎没有变化。不过，2LPDMC的充电和放电曲线，则都朝着较低电位发展。

另外，LP30和LMR-NMC在进行100次循环后，锰离子几乎没有活化，但降低了锂空位浓度，而2LPDMC中阴极表面经历原子重构，可以观察到锰离子出现明显的氧化还原现象。

这种现象主要原因是P30电解质与LMR-NMC充放电过程中，会严重抑制电池中的阴离子被正常氧化还原，从而释放氧气破坏LLO整体的结构稳定性，但2LPDMC则出现正常的氧化还原现象，氧气较少释放出来。

研究团队还发现，2LPDMC电解质在LMR-NMC半电池经历了500至700次的循环充放电后，仍能维持高达84.3%的能量平均保留率，而LP30电解质在LMR-NMC半电池经历300次循环充放电后，平均能量保留率仅为37.1%。

这项研究的结果表明，电化学LLO材料表面的结构变化，对LMR-NMC电池材料的整体稳定性有显着影响。通过解决这些变化，能够显着提高电池阴极的使用寿命和性能，同时最大限度减少电池内部电解质分解等不必要的反应。

研究人员表示，未来会透过更多的相关研究，研发出一款稳定可行的电池阴极和建立稳定的固体电解质界面，最终实现降低可充电池成本和提高可充电池效益的愿景。

该校的黑色金属与生态材料技术研究所电池工程系洪志贤（Jihyun Hong）教授表示，“我们利用同步加速器辐射，分析阴极颗粒表面和内部之间的结构差异，发现阴极表面的稳定性对于材料的整体结构完整性至关重要。这项发现为我们开发下一代正极材料提供新的方向。”

这项成果于2024年11月底发表在《能源与环境科学》能源杂志上，同时得到了韩国国家研究基金会、韩国贸易、工业和能源部、韩国技术振兴院，以及韩国科学和资讯通信技术部的支持和帮助。