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Angew. Chem. :有機正極電解質界面實現4.8 V 鈷酸鋰2025-04-10
鈷酸鋰理論容量高達274mAh g-1,但是常規電壓下鈷酸鋰僅表現出145mAh g-1(截止電壓為4.2 V),這源于鈷酸鋰在高電壓下出現結構的衰退及電解質的分解。拓寬電解質的電壓窗口,并建立高質量的正極電解質界面(CEI)有望實現鈷酸鋰高容量、高穩定性的能量輸出。

傳統的碳酸酯類有機電極電解質界面嚴格遵循二維瞬態成核和生長模型,能夠實現電極的完美鈍化。遺憾的是,這種由傳統碳酸鹽基電解質分解形成的有機CEI不穩定,在高電壓下容易分解、溶解和重構,導致鈷酸鋰無法實現高電壓、高穩定循環,造成電池難以實現高比能、長壽命的工作。

在此,華東師范大學潘麗坤教授、黃素梅教授與暨南大學黎晉良副研究員合作,提出了一種基于離子液體溶劑,結合高供體數添加劑構建電化學惰性有機CEI,成功設計出一種不易燃的超高電壓離子液體電解質(ILE)。這一發現挑戰了傳統認知,揭示了以有機C-F為主的CEI能夠顯著抑制鈷酸鋰在高電壓下的界面反應。

 

 

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具有高供體數(DN)的OTF能夠競爭Li+的配位。最高的HOMO能級使其在正極端優先分解形成以C-F為主導的CEI。而FSI-低的LUMO能級使其在負極優先分解形成以LiF為主導的無機SEI。這種全新設計的有機CEI和無機SEI協同可有效抑制高電壓鈷酸鋰電池中副反應,實現電池在4.8 V高電壓下穩定循環。

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單溶劑的離子液體(IL)電解液完美繼承了基于?TFSI?的 IL 的固有特性,具有 5.4 V 的超高氧化電位和高達 200 °C 的耐溫性。因此,在 4.7 V/4.8 V 的截止電壓下,Li//LCO 電池在0.5 C 條件下循環 100 次后,可實現 86.9%/74.2% 的高容量保持率。此外,為了驗證該電解質的設計的普適性,作者針對該電解質協同4.8 V 級 Li//LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2?和 4.95 V 級 Li//LiNi0.5Mn1.5O4?電池進行測試,并發現在高電壓下同樣表現出優異的循環穩定性。

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作者進一步通過原位XRD、原位DMES、XPS和ICP對鈷酸鋰正極的衰變進行了探究。研究結果顯示有機CEI顯著抑制了鈷酸鋰在高電壓下的相變。此外,原位DEMS也展現出有機CEI對氣體衍化的抑制。最后,XPS和ICP驗證了有機CEI對金屬離子溶解的抑制。

在這個工作中,作者強調了有機CEI在電解液設計領域的重要性。為解決目前儲能系統中高壓正極所面臨的典型挑戰提供了新的可能性。

文信息

Organic Cathode Electrolyte Interphase Achieving 4.8?V LiCoO2

Chaocang Weng,?Meijia Qiu,?Bingfang Wang,?Jiaqi Yang,?Wenjie Mai,?Likun Pan,?Sumei Huang,?Jinliang Li

文章的第一作者是華東師范大學博士研究生翁朝倉、暨南大學博士后邱美佳、同濟大學博士后王冰芳

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202419539

 

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