LiCoO2(LCO)由于其高体积能量密度和高倍率/循环性能,一直是消费电子领域不可或缺的正极材料。随着新型电子产物轻量化趋势的加速,对LCO正极的应用要求更高的截止电压超过4.5V,以释放更多的可逆比容量,显著提高能量密度。然而,高压(HV)运行会严重影响LCO/电解液界面的稳定性。
在此,北京大学深圳研究生院潘锋团队系统地探索了通过合理控制从EC到FEC/DFEC溶剂的电解液溶剂的优化机制,并基于全面的特征和理论模拟揭示了其机理。
研究显示,LCO在抗氧化FEC-DFEC基电解液中的稳定性增强基本上归因于减少了腐蚀性成分的生成和形成了坚固且均匀的CEI,这显著减少了高氧化性Co4+/On⁻(0 < n ≤ 2)的催化作用,并在稳定表面结构以及增强LCO的相变可逆性方面发挥了重要作用。即在抗氧化和弱溶剂化的氟化溶剂的协同作用下,PF6⁻阴离子在LCO/IHP的反应路径得到了调节,这减少了PF6⁻水解形成HF和HPO2F2等腐蚀性成分。
因此,LCO正极在3.0-4.6V的LCO||Li电池中显示出显著提高的倍率性能和长期循环稳定性,经过1000个循环后容量保持率达到85.5%,在3.0-4.55V的LCO||石墨软包电池中经过500个循环后容量保持率达到85.7%。
图1. 电解液调节对赫姆霍尔兹平面的影响
总之,该工作在传统的EC电解液中,LCO在4.6 V(相对于Li/Li+)的循环过程中的结构降解主要源于由腐蚀性物种引起的严重表面Co/O损失。用FEC/DFEC溶剂替换不稳定的EC溶剂可以有效地调节Li+的溶剂化结构,包括抗氧化氟化溶剂和高度配位的PF6⁻阴离子。
结果显示,优化的电解液溶剂化结构导致PF6⁻阴离子在LCO/电解液界面的内赫姆霍尔兹平面(IHP)区域的界面化学改变,构建了坚固且均匀的CEI,并减少了腐蚀性物种的生成,确保了LCO的层状结构在长期循环中的完整性和Li+传输动力学的稳定性,确保了LCO的体相相变的可逆性。
LCO正极在4.6 V的高截止电压下显示出显著提高的倍率能力和长期循环稳定性,在LCO||Li电池中经过1000个循环后容量保持率达到85.5%,在LCO||石墨软包电池中经过500个循环后容量保持率达到85.7%。因此,该工作为理解溶剂调节的优化效果提供了一种新思路。