受低溫影響，鋰離子電池的實際應(yīng)用性能不佳，尤其是在冬季的高海拔或高緯度地區(qū)?？紤]到人口密集地區(qū)的冬季平均氣溫，優(yōu)異的民用鋰離子電池必須在-25℃保持其大部分容量。然而，商用鋰離子電池在0℃以下的容量保持率和倍率放電能力明顯下降，在-20℃幾乎無法使用。電極-電解質(zhì)界面相容性是影響低溫性能的關(guān)鍵因素。界面兼容性差可能導(dǎo)致巨大的電荷轉(zhuǎn)移電阻和過度極化，這種現(xiàn)象在鋰金屬和固態(tài)電解質(zhì)界面已經(jīng)被廣泛研究，但在低溫液體電解質(zhì)系統(tǒng)中尚未被注意到。鈷酸鋰由于其高理論容量、高密度和高電子/離子導(dǎo)電性等優(yōu)點被認為是低溫鋰離子電池的理想候選材料，但實際低溫性能仍然欠佳。

近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員黃富強等在ACS Energy Letters上發(fā)表題為Superwettable high-voltage LiCoO₂ for low-temperature lithium ion batteries的研究論文。該研究基于改善低溫下電極-電解液界面相容性提升電池低溫性能的指導(dǎo)思想設(shè)計制備了淺表層Zr摻雜和表面Li₂Zr（PO₄）₂納米顆粒散布的高微觀粗糙度的按摩球狀LiCoO₂正極材料。通過研究微觀粗糙度與電解液-電極材料浸潤性的關(guān)系，以及不同LiCoO₂正極在不同溫度和電壓下的電化學(xué)性能，研究人員研制出兼具優(yōu)異的高電壓和低溫性能的改性LiCoO₂正極。在使用常規(guī)商用電解液情況下，即使在-25℃環(huán)境溫度和4.6 V下，改性LiCoO₂正極仍表現(xiàn)出200 mAh g^–1的可逆充放電容量、優(yōu)異的倍率性能（137 mAh g^–1@5 C）、高循環(huán)穩(wěn)定性（94%@100圈）和庫倫效率（99.9%）。此外，該研究分析了低溫下LiCoO₂正極表面和體相的演化過程，闡明了改性LiCoO₂正極優(yōu)異性能的內(nèi)在機理。

研究人員通過軟化學(xué)方法制備了一種獨特的磷酸鋯鋰寡聚體膠體并將其與商用鈷酸鋰材料復(fù)合后煅燒，最終獲得了顆粒淺表層Zr摻雜和表面鋰離子導(dǎo)體Li₂Zr（PO₄）₂納米顆粒散布的高微觀粗糙度的按摩球狀LiCoO₂正極材料，證明其對電解液具有超浸潤性。電化學(xué)性能測試發(fā)現(xiàn)，在-25 ℃和4.6 V截止電壓測試條件下，LZPO-LCO半電池相比于參比樣品表現(xiàn)出更小的充放電極化電壓、更高的可逆容量和平均庫倫效率以及更好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能，遠優(yōu)于已報道的改性層狀、尖晶石和橄欖石型正極材料的低溫性能。此外，研究人員利用LZPO-LCO正極、硬碳負極和商用碳酸酯電解液組裝了全電池，-25℃低溫充放電循環(huán)200圈后仍能保持92%的容量。系統(tǒng)性的機理研究表明，改性的LZPO-LCO正極在低溫下對電解液具有更好的浸潤性并在循環(huán)過程中生成了更好的正極-固態(tài)電解質(zhì)界面（CEI）層，Zr摻雜還具有錨定晶格氧抑制氧化析出的作用，最終實現(xiàn)了高電壓下優(yōu)異的低溫性能。

相關(guān)研究工作得到國家自然科學(xué)基金和上海市自然科學(xué)基金的支持。

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