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南科大鄧永紅EnSM: 新型環(huán)狀碳酸酯實(shí)現(xiàn)高功率/低溫鋰離子電池

現(xiàn)代鋰離子電池 (LIB) 配置是通過(guò)碳酸亞乙酯 (EC) 和石墨碳負(fù)極之間的“神奇化學(xué)”實(shí)現(xiàn)的。雖然EC產(chǎn)生的界面保護(hù)了脆弱的石墨結(jié)構(gòu)，但其固有缺點(diǎn)（高粘度、高熔點(diǎn)、過(guò)度的界面生長(zhǎng)）導(dǎo)致LIB在零下溫度時(shí)的功率密度平庸和性能不佳。

在此，南方科技大學(xué)鄧永紅副教授等人證明了負(fù)極表面的相間阻抗是商業(yè) NMC-石墨LIB的高功率和低溫性能的瓶頸，并且更好的相間超過(guò)了對(duì)體離子電導(dǎo)率的考慮。為此，作者設(shè)計(jì)并合成了一種“雙EC”分子作為電解液添加劑來(lái)解決上述難題。

赤蘚糖醇雙（碳酸酯）（EBC）具有比EC低的LUMO能級(jí)，因此在EC還原之前傾向于分解，但其對(duì)Li⁺的弱溶劑化限制了其還原程度，從而最小化了界面厚度和相應(yīng)的阻抗。

圖1. EBC、EC的LUMO能級(jí)的DFT計(jì)算

相應(yīng)地，“雙EC”添加劑可以替代大容量電解液的創(chuàng)新，可以有效滿(mǎn)足最先進(jìn)的NMC/石墨軟包電池所面臨的功率和低溫要求。結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)方法，作者在分子水平上揭示了EBC的功能機(jī)制，并利用Ah級(jí)電池的功率和低溫性能建立了其相間化學(xué)。

與空白對(duì)照組、含VC電解液的電池相比，含EBC的電池在0℃下的低溫循環(huán)容量保持率和功率密度方面表現(xiàn)出壓倒性的優(yōu)勢(shì)，且在-20和25℃表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。這表明電解液添加劑的微小變化可以有效突破最先進(jìn)的電池系統(tǒng)的瓶頸，這為未來(lái)的電池設(shè)計(jì)提供了重要啟示。

圖2. 空白組、VC和EBC體系內(nèi)的低溫電化學(xué)性能

A new cyclic carbonate enables high power/ low temperature lithium-ion batteries, Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.11.029

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