基于分子动力学方法研究固体电解质界面层对锂离子电池性能提升

20251030

科学研究和技术服务业

目前研究成果处于对锂离子电池电解液与电极之间副反应生成物对锂离子溶剂化结构脱溶剂化影响物理机制的基础研究研究阶段。目前所预测的电化学性能提升及对锂离子电池性能提升还需要进一步的实验验证，还处于需进一步开展对其工艺及性能进一步摸索阶段。

科技成果拟转化方需要有一定的锂离子电池研究基础及相应的样品制备及物性表征实验手段，如有机化学实验室及相关资质实验人员等。

可国（境）内外转让

本项目的科技成果转化将有助于突破目前限制锂离子电池中由于锂离子在电极表面处无序堆积所形成的枝晶及由此导致的电解液降解等对电池性能的影响，从而突破相关技术瓶颈，进而推动锂离子电池性能全面提升。

北京市自然科学基金本科生“启研”计划

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

随着传统化石能源的日益枯竭和其对环境的剧烈影响，对新能源储能方式的探索就成为了当今时代发展的重中之重。在各类新型储能材料中锂离子电池凭借其高能量密度、长循环寿命等优势，在储能领域占据主导地位，但仍面临诸多挑战。在能量存储密度方面，传统石墨负极与过渡金属氧化物正极的理论比容量接近瓶颈，难以满足新能源汽车长续航与大规模储能的需求，在快充性能则受限于锂离子在电极材料中的扩散速率和脱溶剂化过程的动力学速度。目前国内外多个研究团队通过开发高比能电极材料、新型电解液体系、优化电池结构设计等方式，力求突破技术瓶颈，从而推动锂离子电池性能全面提升。通过研究人们发现限制锂离子电池其循环寿命、能量密度等关键性能的主要因素是锂离子在电极表面处无序堆积所形成的枝晶及由此导致的电解液降解等问题。而固体电解质界面层的形成可以有效地解决这些问题，从而提升电池性能。本课题成果基于南京工业大学能源科学与工程学院付丽君教授团队前期实验上发现的通过将石墨/Li2B4O7包覆层作为电池电极，可以大幅度提升电池的循环寿命、抑制枝晶形成、增强充放电能力等关键性能。其实验研究结果表明，在电池的首圈循环中，Li2B4O7包覆层开始发挥作用，从而改变锂离子溶剂化结构，并导致电极包覆层外侧的成分发生变化。随着电池循环的进行，电极包覆层外侧的LiF含量显著增加，电池的充放电性能进一步得到显著提升。本项目首先基于第一原理计算分析在目前广泛使用的碳酸乙烯酯/碳酸甲乙酯/碳酸二甲酯溶液中可能存在的不同种锂离子溶剂化结构及其结合能。在此基础上应用经典分子动力学方法研究有机电解液体系中锂离子溶剂化结构在由电解液与负极材料反应所生成的LiF与Li2CO3 固体电解质层表面附近脱溶剂化过程的影响，分析固体电解质界面层对锂离子沉积和电池性能改变的物理机制。通过模拟不同温度及不同外电场条件下LiF与Li2CO3 层辅助锂离子溶剂化结构脱去过程，我们发现LiF界面层对于Li+溶剂化结构在脱溶剂化过程中起着明显促进作用，我们将离子化合物LiF促进锂离子溶剂化结构脱溶剂化性能归结于其对极性分子的长程库伦作用。由于构成溶剂化结构的极性分子存在，由于其分子极矩与外界离子间库伦作用，会导致极性分子位置较大移动，破坏溶剂化结构稳定性，从而促进了脱溶剂化过程。这一研究成果解释了固体电解质界面层形成与电化学性能之间的关系，为开发高性能锂离子电池提供理论依据。