对电解质添加剂的理解有望改善未来电池

阿贡国家实验室已经开展了一项基本机制的研究，该机制允许电解质添加剂显着改善锂离子电池的性能和循环寿命。电池研究人员已经发现锂离子电池逐渐失去储存能量的一个原因：由于与阴极材料的相互作用导致电解质降解。最近的研究增加了对为什么会发生这种降解以及如何通过向电解质中添加添加剂来控制它的理解。电池由阳极(负电极)和阴极(正电极)组成，阳极由电解质隔开，离子可以通过电解质流动。在锂离子电池中，该阳极通常是碳石墨材料，其可以在其碳原子层之间接受和储存锂离子。阴极通常是由镍，锰，钴和锂组成的金属氧化物。阴极限制了锂离子电池的最大存储容量。

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用于锂离子电池的典型电解质是混合到有机溶剂中的锂盐(通常是六氟磷酸锂，LiPF6)。该溶剂通常是碳酸亚乙酯，碳酸二甲酯，碳酸亚丙酯，碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯的混合物。在充电和放电期间，电解质必须允许锂离子在电极之间通过。它还必须防止电子通过以避免电池单元的自放电。

电解质不得与阳极或阴极材料发生反应，否则会导致电池性能逐渐下降。这对于阳极的碳来说不是问题，但是阴极中的金属氧化物存在问题。当阴极长时间与电解质接触时，液体电解质开始降解，降低电池性能。

提升绩效

好消息是可以在电解质中添加促进性能的添加剂。该材料称为三(三甲基甲硅烷基)亚磷酸酯或TMSPi。根据Argonne国家实验室的一份新闻稿，该实验室研究了锂离子电池中的TMSPi，该添加剂改变了阴极表面。在这样做时，它形成保护层以帮助减少阴极表面附近的电解质的降解。

根据Argonne高级材料科学家Daniel Abraham的说法，TMSPi在锂离子电池中工作的机制至今仍是一个谜。“物理化学杂志”最近发表的一篇文章描述了亚伯拉罕和阿贡的工作，以了解添加剂如何提供增强电池性能的保护。

根据Argonne的新闻稿，最新研究的惊人之处在于发现TMSPi分子本身不直接参与阴极保护。该发布报告称，“活性成分是不同的分子，PF2OSiMe3，化学衍生自TMSPi。”(该式中的“Me”代表甲基。)该化合物在锂盐中缓慢形成锂盐。电解质与TMSPi反应。

亚伯拉罕称这个过程是“酸洗”，并指出它有几个有益的效果。首先，反应产物减少了通常在许多充电和放电循环后发生的电阻上升。在阴极和阳极之间行进的锂离子的减缓以及由于与电解质的相互作用引起的阴极化学变化是电阻上升的原因。新的活性化合物降低了上升，同时允许更快的锂离子电池充电和放电。

TMSPi衍生分子的另一个有益效果是它减少了钴和锰过渡金属从阴极到电解质的损失并最终到达阳极。丢失和转移的结果可能是在许多周期后性能下降。这可以通过活性分子的存在来防止。

虽然性能改进很容易测量，但对所涉及机制的实际物理理解需要更多的工作。在Argonne的计算研究表明，反应产物PF2OSiMe3与阴极表面上的反应中心结合而不从表面除去氧。根据该发布，“这种表面结合的分子可以进一步与电解质反应，转化为更强的结合分子，永久地封闭阴极上的反应中心，稳定液体电解质和固体电极之间的界面。”Argonne的研究表明随着更多这些转变的发生，电池的性能实际上会随着年龄的增长而提高。

这些结果有重要的实际应用。“现在我们更好地了解亚磷酸盐对阴极保护作用的机理，我们可以更系统地找到实现和改善电解质添加剂酸洗的新方法，”亚伯拉罕说。

高级编辑凯文克莱门斯30多年来一直在撰写有关能源，汽车和交通主题的文章。他拥有材料工程和环境教育硕士学位以及机械工程博士学位，专攻空气动力学。他在他的工作室里建立了几个关于电动摩托车的世界陆地速度记录。