多功能电解质增强锂离子电池过充循环耐受性的研究

为解决锂离子电池(LIB)在过充条件下安全性差和性能衰减的问题，研究人员开发了一种含DFEC、PFPN和HTCN添加剂的多功能HNGY电解质。该电解质通过提升阳极稳定性、改善锂沉积兼容性和抑制Fe2+ /Fe3+ 溶解，使2Ah LFP|Gr软包电池在4.5V过充条件下实现500次循环后99.2%的容量保持率。这项发表在《Materials Today Advances》的研究为高安全电解液设计提供了新思路。

　　

随着可再生能源的快速发展，锂离子电池(LIB)作为大规模储能系统的核心组件，其安全性问题日益凸显。尽管电池管理系统(BMS)被广泛采用，但在由大量电池组成的储能系统中，电池间的固有不一致性仍可能导致个别电池出现过充现象。特别值得注意的是，即使是目前储能领域最常用的磷酸铁锂(LFP)电池，在极端过充条件下也存在热失控风险。研究表明，4.5V被视作关键阈值，超过此电压将引发电解液氧化、锂沉积等问题，而铁(Fe)溶解更被认为是导致LFP|Gr电池突然失效的主要原因。这些安全隐患严重制约着锂离子电池在储能领域的应用。

针对这一挑战，国内某研究团队在《Materials Today Advances》发表了一项创新研究。该工作通过设计含二氟代碳酸乙烯酯(DFEC)、乙氧基五氟环三磷腈(PFPN)和己三腈(HTCN)的多功能HNGY电解质，系统解决了过充条件下的三大核心问题：电解液氧化稳定性差、锂沉积兼容性不足以及Fe溶解引发的性能衰减。研究人员采用线性扫描伏安法(LSV)评估阳极稳定性，通过Li|Cu电池测试库仑效率(CE)，结合密度泛函理论(DFT)计算分析Fe离子配位能力，并运用扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)等技术表征电极-电解质界面演化。

在物理化学性质研究部分，HNGY电解质展现出9.85mS/cm的离子电导率和3.37mPa·s的粘度，虽然略低于基线电解质，但仍能满足电池运行需求。关键的是，LSV测试证实其阳极稳定性高达4.7V，远优于基线电解液的4.2V。Li|Cu电池测试显示，HNGY电解质使库仑效率显著提升，Li|Li对称电池也表现出更稳定的循环性能。DFT计算表明HTCN与Fe²⁺
/Fe³⁺
的结合能分别达-10.34eV和-23.41eV，证实其优异的Fe离子捕获能力。

在过充耐受性增强研究中，采用不同过充协议(3.65V/4.2V/4.5V)的系统测试表明，HNGY电解质使LFP|Gr电池在4.5V过充条件下保持出色稳定性。dQ/dV分析揭示基线电解质电池的极化显著增加，而HNGY电解质电池的氧化还原峰仅轻微偏移。电化学阻抗谱(EIS)进一步证实HNGY电解质能维持界面阻抗稳定。

电极-电解质界面稳定性研究发现，虽然LFP正极结构在过充后保持完整，但石墨负极在基线电解质中出现了明显的Fe沉积和铜集流体暴露。ICP-OES检测证实HNGY电解质能有效抑制Fe溶解。XPS分析显示，基线电解质在4.5V过充后CEI中Li_x
PF_y
信号显著增强，表明严重的电解液分解；而HNGY电解质则维持了稳定的CEI/SEI组成，其中富含LiF的界面层有效阻断了副反应。

在实际应用评估中，2Ah LFP|Gr软包电池在4.5V过充条件下经过500次循环后仍保持99.2%的容量，远优于基线电解质的快速衰减性能。该电解质对LiCoO₂
电池的高压循环性能也有显著提升。

这项研究通过分子设计解决了LIB过充耐受性的三大关键问题：DFEC提升阳极稳定性，PFPN优化锂沉积行为，HTCN抑制Fe溶解。其创新性体现在：首次系统提出针对LFP电池过充问题的电解液解决方案；通过多重协同作用实现界面稳定；在实用化软包电池中验证了长效稳定性。该工作不仅为储能电池安全设计提供了新思路，其多功能添加剂策略也可推广至其他高压电池系统，对推动可再生能源的大规模应用具有重要意义。