通过简单的浆料添加剂调整电极-电解液界面以实现稳定的高电压锂离子电池

黄奥羽 许君 黄玉 储圭 王卯 王黎丽 孙永奇 蒋臻 朱晓波

引用本文: 黄奥羽, 许君, 黄玉, 储圭, 王卯, 王黎丽, 孙永奇, 蒋臻, 朱晓波. 通过简单的浆料添加剂调整电极-电解液界面以实现稳定的高电压锂离子电池[J]. 物理化学学报, 2025, 41(4): 240800. doi: 10.3866/PKU.WHXB202408007 shu
Citation:  Aoyu Huang, Jun Xu, Yu Huang, Gui Chu, Mao Wang, Lili Wang, Yongqi Sun, Zhen Jiang, Xiaobo Zhu. Tailoring Electrode-Electrolyte Interfaces via a Simple Slurry Additive for Stable High-Voltage Lithium-Ion Batteries[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2025, 41(4): 240800. doi: 10.3866/PKU.WHXB202408007 shu

通过简单的浆料添加剂调整电极-电解液界面以实现稳定的高电压锂离子电池

    通讯作者: 王黎丽, wangll@hfuu.edu.cn; 朱晓波, xbzhu@csust.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 52202210

    湖南省自然科学基金 2024JJ5024

    安徽省高校优秀青年人才支持计划(重点)项目 2024JJ5024

摘要: 5 Ⅴ级LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO)作为无钴正极材料,满足了对廉价高性能锂离子电池(LIBs)日益增长的需求。然而,由于高工作电位,LNMO在与商用电解液的界面上存在不稳定性问题。本文提出使用硅酸四乙酯作为LNMO正极浆料添加剂。这种简单的方法能够在电极制备过程中在正极表面原位形成乙氧基官能化的聚硅氧烷薄膜。它不仅有助于形成稳固的人工正极-电解液界面,还能清除氢氟酸(HF)以抑制有害的化学串扰影响。因此,与原始正极相比,优化后的LNMO正极在半电池中表现出显著提高的循环稳定性(1000次循环后容量保持率为84.6% vs. 51.4%),在与商用石墨负极配对的全电池中也是如此(500次循环后保持率为83.3% vs. 53.4%),并在50 ℃的高温测试环境下和软包电池中进一步得到验证,这一简单策略有望为开发下一代高性能锂离子电池铺平道路。

English

    1. [1]

      Yoshino, A. Angew. Chem. -Int. Edit. 2012, 51, 5798. doi: 10.1002/anie.201105006

    2. [2]

      Grey, C. P.; Hall, D. S. Nat. Commun. 2020, 11, 6279. doi: 10.1038/s41467-020-19991-4

    3. [3]

      Zhu, X. B.; Lin, T. G.; Manning, E.; Zhang, Y. C.; Yu, M. M.; Zuo, B.; Wang, L. Z. J. Nanopart. Res. 2018, 20, 160. doi: 10.1007/s11051-018-4235-1

    4. [4]

      Ryu, H. -H.; Sun, H. H.; Myung, S. -T.; Yoon, C. S.; Sun, Y. -K. Energy Environ. Sci. 2021, 14, 844. doi: 10.1039/d0ee03581e

    5. [5]

      She, Q.; Xu, J.; Huang, A. Y.; Zhou, R.; Shao, Q.; Wang, J. Q.; Wang, Y.; Sun, Y. Q.; Zhu, X. B. Chem. Eng. Sci. 2024, 284, 119526. doi: 10.1016/j.ces.2023.119526

    6. [6]

      Liang, G. M.; Peterson, V. K.; See, K. W.; Guo, Z. P.; Pang, W. K. J. Mater. Chem. A. 2020, 8, 15373. doi: 10.1039/d0ta02812f

    7. [7]

      Yu, X. W.; Yu, W. A.; Manthiram, A. Small Methods 2021, 5, 2001196. doi: 10.1002/smtd.202001196

    8. [8]

      Yao, W. L.; Chouchane, M.; Li, W. K.; Bai, S.; Liu, Z.; Li, L. T.; Chen, A. X.; Sayahpour, B.; Shimizu, R.; Raghavendran, G.; et al. Energy Environ. Sci. 2023, 16, 1620. doi: 10.1039/d2ee03840d

    9. [9]

      Tong, Z. Y.; Zhu, X. B. Next Energy 2024, 5, 100158. doi: 10.1016/j.nxener.2024.100158

    10. [10]

      Amin, R.; Muralidharan, N.; Petla, R. K.; Ben Yahia, H.; Al-Hail, S. A. J.; Essehli, R.; Daniel, C.; Khaleel, M. A.; Belharouak, I. J. Power Sources 2020, 467, 228318. doi: 10.1016/j.jpowsour.2020.228318

    11. [11]

      Zhong, Q. M.; Bonakdarpour, A.; Zhang, M. J.; Gao, Y.; Dahn, J. J. Electrochem. Soc. 1997, 144, 205. doi: 10.1149/1.1837386

    12. [12]

      Zhu, X. B.; Huang, A. Y.; Martens, I.; Vostrov, N.; Sun, Y. Q.; Richard, M. I.; Schülli, T. U.; Wang, L. Z. Adv. Mater. 2024, 36, 2403482. doi: 10.1002/adma.202403482

    13. [13]

      Li, J. C.; Ma, C.; Chi, M.; Liang, C. D.; Dudney, N. J. Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1401408. doi: 10.1002/aenm.201401408

    14. [14]

      Ma, J.; Hu, P.; Cui, G. L.; Chen, L. Q. Chem. Mat. 2016, 28, 3578. doi: 10.1021/acs.chemmater.6b00948

    15. [15]

      Jia, H.; Xu, W. Trends Chem. 2022, 4, 627. doi: 10.1016/j.trechm.2022.04.010

    16. [16]

      韩卓, 张丹丰, 王海先, 郑国瑞, 柳明, 贺艳兵. 物理化学学报, 2024, 40, 2307034. doi: 10.3866/PKU.WHXB202307034Han, Z.; Zhang, D. F.; Wang, H. X.; Zheng, G. R.; Liu, M.; He, Y. B. Acta Phys. -Chim. Sin. 2024, 40, 2307034. doi: 10.3866/PKU.WHXB202307034

    17. [17]

      Rinkel, B. L. D.; Hall, D. S.; Temprano, I.; Grey, C. P. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 15058. doi: 10.1021/jacs.0c06363

    18. [18]

      Zhu, X. B.; Schulli, T.; Wang, L. Z. Chem. Res. Chin. Univ. 2020, 36, 24. doi: 10.1007/s40242-020-9103-8

    19. [19]

      Jayawardana, C.; Rodrigo, N.; Parimalam, B.; Lucht, B. L. ACS Energy Lett. 2021, 6, 3788. doi: 10.1021/acsenergylett.1c01657

    20. [20]

      Zhan, C.; Wu, T. P.; Lu, J.; Amine, K. Energy Environ. Sci. 2018, 11, 243. doi: 10.1039/c7ee03122j

    21. [21]

      Pieczonka, N. P. W.; Liu, Z. Y.; Lu, P.; Olson, K. L.; Moote, J.; Powell, B. R.; Kim, J. -H. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 15947. doi: 10.1021/jp405158m

    22. [22]

      Zhu, X. B.; She, Q.; Wang, M.; Wang, Z. L.; Hu, Y. X.; Yuan, D.; Sun, Y. Q.; Schülli, T. U.; Wang, L. Z. Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2311025. doi: 10.1002/adfm.202311025

    23. [23]

      Zhu, X. B.; Sun, D.; Luo, B.; Hu, Y. X.; Wang, L. Z. Electrochim. Acta 2018, 284, 30. doi: 10.1016/j.electacta.2018.07.153

    24. [24]

      Xu, M.; Yang, M.; Chen, M. F.; Gu, L. H.; Luo, L. S.; Chen, S. Y.; Chen, J. Z.; Liu, B.; Han, X. J. Energy Chem. 2023, 76, 266. doi: 10.1016/j.jechem.2022.09.021

    25. [25]

      Maiti, S.; Sclar, H.; Grinblat, J.; Talianker, M.; Elias, Y.; Wu, X. H.; Kondrakov, A.; Aurbach, D. Small Methods 2022, 6, 2200674. doi: 10.1002/smtd.202200674

    26. [26]

      Kuenzel, M.; Kim, G. -T.; Zarrabeitia, M.; Lin, S. D.; Schuer, A. R.; Geiger, D.; Kaiser, U.; Bresser, D.; Passerini, S. Mater. Today 2020, 39, 127. doi: 10.1016/j.mattod.2020.04.003

    27. [27]

      Zhu, X. B.; Schülli, T. U.; Yang, X. W.; Lin, T. G.; Hu, Y. X.; Cheng, N. Y.; Fujii, H.; Ozawa, K.; Cowie, B.; Gu, Q. F. Nat. Commun. 2022, 13, 1565. doi: 10.1038/s41467-022-28963-9

    28. [28]

      Maiti, S.; Sclar, H.; Wu, X. H.; Grinblat, J.; Talianker, M.; Kondrakov, A.; Markovsky, B.; Aurbach, D. Energy Storage Mater. 2023, 56, 25. doi: 10.1016/j.ensm.2023.01.004

    29. [29]

      张思东, 刘园, 祁慕尧, 曹安民. 物理化学学报, 2021, 37, 2011007. doi: 10.3866/PKU.WHXB202011007Zhang, S. D.; Liu, Y.; Qi, M. Y.; Cao, A. M. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2011007. doi: 10.3866/PKU.WHXB202011007

    30. [30]

      Pieczonka, N. P. W.; Borgel, V.; Ziv, B.; Leifer, N.; Dargel, V.; Aurbach, D.; Kim, J. H.; Liu, Z. Y.; Huang, X. S.; Krachkovskiy, S. A. Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1501008. doi: 10.1002/aenm.201501008

    31. [31]

      Ma, Y.; Wang, C. D.; Ma, J.; Xu, G. J.; Chen, Z.; Du, X. F.; Zhang, S.; Zhou, X. H.; Cui, G. L.; Chen, L. Q. Sci. China-Chem. 2021, 64, 92. doi: 10.1007/s11426-020-9879-8

    32. [32]

      Xu, G. J.; Pang, C. G.; Chen, B. B.; Ma, J.; Wang, X.; Chai, J. C.; Wang, Q. F.; An, W. Z.; Zhou, X. H.; Cui, G. L.; et al. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1701398. doi: 10.1002/aenm.201701398

    33. [33]

      Tan, C. L.; Yang, J.; Pan, Q. C.; Li, Y.; Li, Y.; Cui, L. S.; Fan, X. P.; Zheng, F. H.; Wang, H. Q.; Li, Q. Y. Chem. Eng. J. 2021, 410, 128422. doi: 10.1016/j.cej.2021.128422

    34. [34]

      Zhang, J.; Li, J. P.; Cao, L. H.; Cheng, W. H.; Guo, Z. Y.; Zuo, X. X.; Wang, C.; Cheng, Y. -J.; Xia, Y. G.; Huang, Y. D. Nano Res. 2024, 17, 333. doi: 10.1007/s12274-023-5960-z

    35. [35]

      Colombo, F.; Müller, M.; Weber, A.; Keim, N.; Jeschull, F.; Bauer, W.; Ehrenberg, H. Energy Adv. 2023, 2, 2093. doi: 10.1039/D3YA00246B

    36. [36]

      Zhang, J.; Cao, L. H.; Li, J. P.; Yang, M.; Yu, J. X.; Cheng, Y. -J.; Huang, Y. D.; Xia, Y. G. Energy Storage Mater. 2024, 64, 103060. doi: 10.1016/j.ensm.2023.103060

    37. [37]

      Yang, Z.; Li, Z. M.; Huang, Y. X.; Zhang, M. L.; Liu, C. F.; Zhang, D. Y.; Cao, G. Z. J. Power Sources 2020, 471, 228480. doi: 10.1016/j.jpowsour.2020.228480

    38. [38]

      Wang, H.; Ge, W. J.; Li, W.; Wang, F.; Liu, W. J.; Qu, M. -Z.; Peng, G. C. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 18439. doi: 10.1021/acsami.6b04644

    39. [39]

      Takeshita, S.; Ono, T. Angew. Chem. -Int. Edit. 2023, 62, e202306518. doi: 10.1002/anie.202306518

    40. [40]

      Liu, R.; Yan, H. X.; Zhang, Y. B.; Yang, K. M.; Du, S. Chem. Eng. J. 2022, 433, 133827. doi: 10.1016/j.cej.2021.133827

    41. [41]

      Zhu, X. B.; Li, X. N.; Zhu, Y. C.; Jin, S. S.; Wang, Y.; Qian, Y. T. Electrochim. Acta 2014, 121, 253. doi: 10.1016/j.electacta.2013.12.176

    42. [42]

      Martens, I.; Vostrov, N.; Mirolo, M.; Colalongo, M.; Kus, P.; Richard, M. -I.; Wang, L. Z.; Zhu, X. B.; Schulli, T. U.; Drnec, J. ACS Mater. Lett. 2022, 4, 2528. doi: 10.1021/acsmaterialslett.2c00787

    43. [43]

      Piao, N.; Wang, P. -F.; Chen, L.; Deng, T.; Fan, X. L.; Wang, L.; He, X. M. Nano Energy 2023, 105, 108040. doi: 10.1016/j.nanoen.2022.108040

    44. [44]

      Moorhead-Rosenberg, Z.; Huq, A.; Goodenough, J. B.; Manthiram, A. Chem. Mater. 2015, 27, 6934. doi: 10.1021/acs.chemmater.5b01356

    45. [45]

      Gaberšček, M. Curr. Opin. Electrochem. 2022, 32, 100917. doi: 10.1016/j.coelec.2021.100917

    46. [46]

      Yu, F. -D.; Que, L. -F.; Xu, C. -Y.; Wang, M. -J.; Sun, G.; Duh, J. -G.; Wang, Z. -B. Nano Energy 2019, 59, 527. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.03.012

    47. [47]

      Zhu, X. B.; Wang, L. Z. EcoMat 2020, 2, e12043. doi: 10.1002/eom2.12043

    48. [48]

      Lu, D. S.; Xu, M. Q.; Zhou, L.; Garsuch, A.; Lucht, B. L. J. Electrochem. Soc. 2013, 160, A3138. doi: 10.1149/2.022305jes

    49. [49]

      Jiang, H. R.; Zeng, C. H.; Zhu, W.; Luo, J. W.; Liu, Z. D.; Zhang, J. C.; Liu, R.; Xu, Y. H.; Chen, Y. A.; Hu, W. B. Nano Res. 2024, 17, 2671. doi: 10.1007/s12274-023-6076-1

    50. [50]

      Cui, Z. H.; Zou, F.; Celio, H.; Manthiram, A. Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2203779. doi: 10.1002/adfm.202203779

    51. [51]

      Jiao, X. W.; Rao, L. L.; Yap, J. W.; Yu, C. -Y.; Kim, J. -H. J. Power Sources 2023, 561, 232748. doi: 10.1016/j.jpowsour.2023.232748

    52. [52]

      Tian, T.; Lu, L. L.; Yin, Y. C.; Tan, Y. H.; Zhang, T. W.; Li, F.; Yao, H. B. Small 2022, 18, 2106898. doi: 10.1002/smll.202106898

    53. [53]

      Rath, P. C.; Wang, Y. -W.; Patra, J.; Umesh, B.; Yeh, T. -J.; Okada, S.; Li, J.; Chang, J. -K. Chem. Eng. J. 2021, 415, 128904. doi: 10.1016/j.cej.2021.128904

    54. [54]

      Li, J. C.; Zhang, Q. L.; Xiao, X. C.; Cheng, Y. -T.; Liang, C. D.; Dudney, N. J. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 13732. doi: 10.1021/jacs.5b06178

    55. [55]

      Yoon, T.; Park, S.; Mun, J.; Ryu, J. H.; Choi, W.; Kang, Y. -S.; Park, J. -H.; Oh, S. M. J. Power Sources 2012, 215, 312. doi: 10.1016/j.jpowsour.2012.04.103

    56. [56]

      Michalak, B.; Berkes, B. z. B.; Sommer, H.; Bergfeldt, T.; Brezesinski, T.; Janek, J. Anal. Chem. 2016, 88, 2877. doi: 10.1021/acs.analchem.5b04696

    57. [57]

      Yoon, T.; Soon, J.; Lee, T. J.; Ryu, J. H.; Oh, S. M. J. Power Sources 2021, 503, 230051. doi: 10.1016/j.jpowsour.2021.230051

    58. [58]

      Tatara, R.; Karayaylali, P.; Yu, Y.; Zhang, Y.; Giordano, L.; Maglia, F.; Jung, R.; Schmidt, J. P.; Lund, I.; Shao-Horn, Y. J. Electrochem. Soc. 2019, 166, A5090. doi: 10.1149/2.0121903jes

    59. [59]

      Dos Santos, F. C.; Harb, S. V.; Menu, M. -J.; Turq, V.; Pulcinelli, S. H.; Santilli, C. V.; Hammer, P. RSC Adv. 2015, 5, 106754. doi: 10.1039/C5RA20885H

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  4
  • 文章访问数:  833
  • HTML全文浏览量:  85
文章相关
  • 发布日期:  2025-04-15
  • 收稿日期:  2024-08-07
  • 接受日期:  2024-08-30
  • 修回日期:  2024-08-30
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章