斯科爾科沃理工學(xué)院的研究人員為鋰離子電池科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)長(zhǎng)期存在的難題提出了一種解釋。他們的研究為碳酸乙烯酯(被稱為“神奇”電解質(zhì)成分)在鋰離子電池中的作用提供了新的見(jiàn)解，并闡述了為什么這種材料和電化學(xué)性質(zhì)相似的碳酸丙烯酯對(duì)石墨制成的電池陽(yáng)極表現(xiàn)出如此不同的行為。

該研究結(jié)果發(fā)表在《材料化學(xué)A雜志》上，將為更安全、更高效的鋰離子電池電解質(zhì)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

在鋰離子電池商業(yè)化初期，研究人員就遇到了石墨 陽(yáng)極腐蝕的問(wèn)題。碳酸丙烯酯基電解質(zhì)對(duì)金屬鋰非常友好，但對(duì)石墨卻有很強(qiáng)的腐蝕性。這一問(wèn)題阻礙了石墨電極的使用，直到碳酸亞乙酯被引入作為碳酸亞丙酯的替代品。雖然從電化學(xué)角度來(lái)看，這兩種材料的分子非常相似，但它們對(duì)石墨陽(yáng)極的表現(xiàn)卻截然不同。

這種現(xiàn)象被稱為 EC-PC 差異，以化合物的縮寫名稱命名。幾十年來(lái)，電池界一直在廣泛研究和討論這種“神奇溶劑”碳酸乙烯酯的作用，并提出了許多假設(shè)。然而，至今仍未達(dá)成共識(shí)。

在他們的新論文中，Skoltech Energy 的高級(jí)研究員 Sergey Luchkin 和首席工業(yè)工程師 Egor Pazhetnov 提出，電解質(zhì)中碳酸亞乙酯的存在會(huì)導(dǎo)致石墨表面形成一層薄薄的非常粘稠的液體。

該層通過(guò)防止過(guò)多的電解質(zhì)分子滲透到石墨層之間(過(guò)度插層)并最終剝落石墨層從而損壞陽(yáng)極(腐蝕性剝落)來(lái)保護(hù)石墨。為驗(yàn)證這一假設(shè)而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該層確實(shí)出現(xiàn)在基于 EC 的電解質(zhì)中，但沒(méi)有出現(xiàn)在基于 PC 的電解質(zhì)中。

值得注意的是，粘稠液體層在固體電解質(zhì)界面相形成之前出現(xiàn)，因此會(huì)影響其形成。SEI 是鋰離子電池的重要組成部分。它是電池在工廠首次循環(huán)期間在陽(yáng)極表面形成的一層固體電解質(zhì)薄膜。該層可保護(hù)石墨陽(yáng)極免于快速降解，并防止液體電解質(zhì)持續(xù)電化學(xué)還原。

對(duì)鋰離子電池界面過(guò)程的新見(jiàn)解為電解質(zhì)成分與陽(yáng)極-電解質(zhì)界面動(dòng)力學(xué)之間的相互作用提供了新的視角，這對(duì)于通過(guò)固體電解質(zhì)界面相的智能設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)更穩(wěn)定、更高效的電池至關(guān)重要。這項(xiàng)研究提出的方法不僅限于鋰離子電池，還為鈉離子電池和鉀離子電池等新興互補(bǔ)技術(shù)提供了寶貴見(jiàn)解。這些技術(shù)在固體電解質(zhì)界面形成方面面臨著類似的挑戰(zhàn)。

該研究增進(jìn)了我們對(duì)電解質(zhì)成分的物理特性如何影響界面動(dòng)力學(xué)的理解，有可能加速儲(chǔ)能領(lǐng)域的創(chuàng)新。