瑞士研究人员开发新型保护涂层 可提高电池性能

据外媒报道，瑞士保罗谢尔研究所（PSI）的研究团队开发出新型可持续工艺，用于提高锂离子电池的电化学性能。以这种方式改进的高压电池已在初步测试中取得成功。这种方法可以明显提高锂离子电池的效率，例如电动汽车电池。

（图片来源：保罗谢尔研究所）

锂离子电池被视为关键的脱碳技术。因此，全球研究人员致力于不断提高其性能，例如能量密度。实现这一目标的一种方法是提高工作电压。如果电压增加，能量密度也会增加。然而，当工作电压超过4.3伏时，在阴极和电解质之间的过渡处会发生强烈的化学和电化学降解过程。由于释放氧气、过渡金属溶解和结构重建，阴极材料的表面会受到严重损坏，进而导致电芯电阻不断增加，容量下降。因此，迄今商用电池电芯只能在最高4.3伏下运行，例如电动汽车中使用的电芯。

为了解决这个问题，PSI能源与环境科学中心（PSI Center for Energy and Environmental Sciences）的Mario El Kazzi及其团队开发了一种新方法，通过在阴极表面涂覆盖薄而均匀的保护层来稳定阴极表面。

工作电压高达4.8伏

该工艺的核心是三氟甲烷（CHF3），这是在生产塑料（如聚四氟乙烯PTFE、聚偏氟乙烯PVDF和泡沫塑料）过程中作为副产物产生的气体。在实验室中，该团队在300℃下启动CHF3与覆盖阴极表面的薄碳酸锂层之间的反应，从而将界面处的锂转化为氟化锂（LiF）。值得一提的是，阴极材料的锂原子仍以离子形式存在，即仍然是带正电荷的粒子。在充放电过程中，这些锂离子必须能够在阴极和阳极之间来回移动，以便在后续操作中不损害电池容量。

通过在高工作电压下进行电化学测试，研究人员进一步测试该保护涂层的有效性。结果显示，即使在高电压下，该保护涂层也能保持稳定。这很好地保护了阴极材料，使其能够在4.5伏（甚至4.8伏）的电压下运行。

与使用无保护阴极的电池相比，该涂层电池在所有重要参数方面的表现明显更好。例如，经过100次充放电循环后，其阻抗（即阴极界面处锂离子的电阻）比未处理阴极电池低约30%。El Kazzi表示：“这清楚地表明，这种保护层可以充分减少因可能出现的界面反应而导致阻力增加。”

研究人员还对容量保持率进行了比较。容量保持率指在一定数量的充放电循环后仍能从阴极迁移到阳极的锂离子数量。该值越接近100%，容量下降越少。在测试过程中，带有涂层阴极的电池同样表现出色。经过100次充放电循环后，其容量保持率超过94%，充电速度没有降低，而未经处理的电池仅达到80%。

该通用解决方案能够间接发挥保护气候的作用

这项研究的涂层工艺为提高不同类型电池的能量密度开辟了新途径。El Kazzi强调：“我们可以假设这种氟化锂保护涂层是通用的，可以与大多数阴极材料一起使用。例如，它也适用于富含镍和锂的高压电池。”

新工艺的另一个重要方面是，三氟甲烷是一种高效温室气体，对气候的危害是二氧化碳的1万多倍，因此永远不应该被释放到大气中。研究人员认为，这种有效的解决方案可以将这些气体转化为阴极材料表面均匀的薄LiF保护层，使它们成为循环经济的一部分。通过采用新的涂层工艺，CHF3可以回收并长期作为高压阴极的保护层。