- FPTI添加剂可提升锂离子电池容量保持率至95.6%。
- 固体电解质界面（SEI）对电池寿命至关重要，影响锂离子移动。
- 改进的SEI降低电阻，支持锂离子平稳移动。
- 针对性处理石墨负极显著提高全电池能量密度。
一种新的电解质添加剂帮助石墨阳极在经历1000次充电循环后仍能保持高达95.6%的容量，这表明在不改变石墨本身的情况下延长锂离子电池寿命的可能性。日本先进科学技术大学（JAIST）的研究人员设计了一种名为五氟苯基噻唑亚胺（pentafluorophenyl thiophene imine，简称FPTI）的化合物，以改善在最初几次充电循环期间在石墨上形成的保护层。
这一层被称为固体电解质界面（SEI），对电池寿命至关重要。它使锂离子能够在电解质和电极之间移动，同时限制不必要的化学反应。当SEI变得不稳定时，可能会消耗活性锂并增加电阻，加速容量损失。研究人员将FPTI添加到传统锂离子电池电解质中，浓度为每毫升2毫克和4毫克。他们发现该添加剂在早期循环中优先反应，并帮助在石墨表面创建更具导电性和稳定性的SEI。
在较高的浓度下，SEI的电阻从对照组的7.6欧姆降至2.2欧姆。电荷转移电阻也从41.8欧姆降至19.8欧姆，而锂离子的扩散则增加。研究人员发现，FPTI分子的不同部分对保护层的形成有贡献。来自硫和亚胺的化合物被纳入界面，而其氟化成分则帮助形成富含锂氟化物的层。松井教授解释说：“这些组分共同作用似乎减少了寄生反应，并支持锂离子在电极-电解质界面之间的平稳移动。”
FPTI对电池性能的影响
在进行长时间循环的过程中，改进的效果变得更加明显。含有每毫升2毫克FPTI的石墨电池在1000次循环后保持了89.4%的最大容量，而使用4毫克每毫升的则保持了95.6%。没有添加剂的对照组仅保留了62.7%的容量，并在大约350次循环后开始显示出显著的容量损失。
研究团队随后测试此方法是否能在使用NMC811正极和石墨负极的完整电池中适用。这揭示了一个重要的限制：将FPTI直接放入全电池电解质中增加了正极的电阻，损害了性能。因此，研究人员仅将FPTI用于预处理石墨负极。他们在预循环期间形成改进的SEI，然后使用标准电解质组装完整电池。这种针对性的化学处理显著提高了全电池的能量密度。使用4毫克每毫升FPTI预处理的石墨全电池达到了约233 Wh/kg，而2毫克每毫升处理的则约为192 Wh/kg，对照组仅为130 Wh/kg。
针对性处理的实用性
这一结果突显了为何电池添加剂不能仅根据其对单一电极的影响来评估。一种改善石墨-电解质界面的化学物质可能会在正极造成问题，因此针对性处理可能比在整个电池中添加该化合物更具实用性。
松井教授总结道：“总体而言，FPTI的引入显著提升了石墨半电池的电化学性能。”研究人员表示，需要进一步测试更大商业格式的电池和更广泛的操作条件，以确定这一策略是否可以转化为实际电池。然而，这项研究显示了在分子层面控制石墨表面如何在不更换广泛使用的阳极材料的情况下延长电池寿命。该研究已发表在《能源与燃料》期刊上。
项目 规格 SEI电阻 2.2欧姆 电荷转移电阻 19.8欧姆 能量密度（4毫克每毫升FPTI） 233 Wh/kg 能量密度（2毫克每毫升FPTI） 192 Wh/kg 能量密度（对照组） 130 Wh/kg
如何在不更换材料下提升电池寿命
这项研究展示了通过改进石墨阳极的固体电解质界面（SEI），可以有效延长锂离子电池的寿命，而无需更换现有的阳极材料。FPTI添加剂的引入不仅提升了电池的容量保持率，还改善了电池的电化学性能。这表明，针对性化学处理能够克服传统电池设计中的某些限制，为未来锂离子电池的开发提供了新的思路，特别是在追求更高能量密度和更长寿命的背景下。