- FPTI 添加劑可提升鋰離子電池容量保持率至 95.6%。
- 固體電解質界面 (SEI) 對電池壽命至關重要，影響鋰離子移動。
- 改進的 SEI 降低電阻，支持鋰離子平穩移動。
- 針對性處理石墨負極顯著提高全電池能量密度。
一種新的電解質添加劑幫助石墨陽極在經歷 1,000 次充電循環後仍能保持高達 95.6% 的容量，這顯示出在不改變石墨本身的情況下延長鋰離子電池壽命的可能性。日本先進科技大學 (JAIST) 的研究人員設計了一種名為五氟苯基噻唑亞胺 (pentafluorophenyl thiophene imine，簡稱 FPTI) 的化合物，以改善在最初幾次充電循環期間在石墨上形成的保護層。
這一層被稱為固體電解質界面 (SEI)，對電池壽命至關重要。它使鋰離子能夠在電解質和電極之間移動，同時限制不必要的化學反應。當 SEI 變得不穩定時，可能會消耗活性鋰並增加電阻，加速容量損失。研究人員將 FPTI 添加至傳統鋰離子電池電解質中，濃度為每毫升 2 毫克和 4 毫克。他們發現該添加劑在早期循環中優先反應，並幫助在石墨表面創建更具導電性和穩定性的 SEI。
在較高的濃度下，SEI 的電阻從對照組的 7.6 歐姆降至 2.2 歐姆。電荷轉移電阻也從 41.8 歐姆降至 19.8 歐姆，而鋰離子的擴散則增加。研究人員發現，FPTI 分子的不同部分對保護層的形成有貢獻。來自硫和亞胺的化合物被納入界面，而其氟化成分則幫助形成富鋰氟化物的層。松井教授解釋說：「這些組分共同作用似乎減少了寄生反應，並支持鋰離子在電極-電解質界面之間的平穩移動。」
FPTI 對電池性能的影響
在進行長時間循環的過程中，改進的效果變得更加明顯。含有每毫升 2 毫克 FPTI 的石墨電池在 1,000 次循環後保持了 89.4% 的最大容量，而使用 4 毫克每毫升的則保持了 95.6%。沒有添加劑的對照組僅保留了 62.7% 的容量，並在大約 350 次循環後開始顯示出顯著的容量損失。
研究團隊隨後測試此方法是否能在使用 NMC811 正極和石墨負極的完整電池中適用。這揭示了一個重要的限制：將 FPTI 直接放入全電池電解質中增加了正極的電阻，損害了性能。因此，研究人員僅將 FPTI 用於預處理石墨負極。他們在預循環期間形成改進的 SEI，然後使用標準電解質組裝完整電池。這種針對性的化學處理顯著提高了全電池的能量密度。使用 4 毫克每毫升 FPTI 預處理的石墨全電池達到了約 233 Wh/kg，而 2 毫克每毫升處理的則約為 192 Wh/kg，對照組僅約為 130 Wh/kg。
針對性處理的實用性
這一結果突顯了為何電池添加劑不能僅根據其對單一電極的影響來評估。一種改善石墨-電解質界面的化學物質可能會在正極造成問題，因此針對性處理可能比在整個電池中添加該化合物更具實用性。
松井教授總結道：「整體而言，FPTI 的引入顯著提升了石墨半電池的電化學性能。」研究人員表示，需進一步測試更大商業格式的電池和更廣泛的操作條件，以確定這一策略是否能轉化為實際電池。然而，這項研究顯示了在分子層面控制石墨表面如何在不更換廣泛使用的陽極材料的情況下延長電池壽命。該研究已發表於《能源與燃料》期刊。
項目 規格 SEI 電阻 2.2 歐姆 電荷轉移電阻 19.8 歐姆 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 (對照組) 130 Wh/kg
如何在不更換材料下提升電池壽命
這項研究展示了通過改進石墨陽極的固體電解質界面 (SEI)，可以有效延長鋰離子電池的壽命，而無需更換現有的陽極材料。FPTI 添加劑的引入不僅提升了電池的容量保持率，還改善了電池的電化學性能。這表明，針對性化學處理能夠克服傳統電池設計中的一些限制，為未來鋰離子電池的開發提供了新的思路，尤其是在追求更高能量密度和更長壽命的背景下。