KAIST揭示无负极电池“退化”原因

by Jeong Ilwoong

Published 05 Nov.2024 08:10(KST)

韩国国内研究团队已查明无负极电池的退化原因。这种电池有望搭载于电动汽车，实现单次充电续航800公里，并可充电超过1000次，因此被称为“梦想技术”。

（前排自左起）博士课程生 Lee Jeonga，硕士课程生 Kang Haneul，（后排自左起）博士课程生 Kim Sehun，教授 Choi Namsun。KAIST 提供

KAIST表示，生物化学工程系Choi Namsun教授研究团队通过分析电极界面处发生反应的不可逆性以及界面膜结构的变化，查明了无负极电池的退化原因，并于5日对外公布这一结果。

电池制造完成后，溶剂会吸附在铜集流体表面，形成初始界面膜；在充电过程中，从正极迁移到铜集流体的锂离子在铜集流体表面获得电子，被电镀成金属锂。此时，沉积的金属锂表面会发生电解质阴离子分解反应，在金属锂表面形成界面膜。

但研究团队发现，在首次为无负极电池充电时，铜集流体表面和沉积锂表面会发生不利的电解质分解反应，导致界面膜成分发生不稳定变化。

也就是说，在电池制造完成后，集流体表面溶剂发生分解并形成界面膜，而在电解质的电偶腐蚀和化学腐蚀过程中，界面膜成分变得不稳定，从而降低了金属锂电镀与剥离反应的可逆性。

所谓电偶腐蚀，是指两种不同金属直接电接触并浸没在电解质中时，由于固有电位差而导致其中一方发生腐蚀的过程。化学腐蚀则是指传递到电镀金属锂表层的电子进一步传递给与之接触的电解质成分，引发电解质还原分解的现象。

尤其是对金属锂具有高反应性的FSI⁻阴离子，会在充放电过程中反复分解，使金属锂界面膜不断增厚，并降低锂盐浓度。这又会导致与锂离子不发生相互作用的自由溶剂（free solvent）增多。

自由溶剂具有不参与切断离子化合物离子键并使其电离的溶解过程这一特性。此外，自由溶剂易于分解，其分解产物会堆积在正极表面，增加阻抗，并连锁性地引发正极结构劣化，因此成为无负极电池性能退化的原因之一，研究团队作出上述解释。

研究团队还强调，为了抑制无负极电池的劣化，必须构建稳定的初始电极界面膜，从而降低电解质的电偶腐蚀和化学腐蚀。

Choi教授表示：“我们确认，当沉积在集流体上的金属锂表面发生不利的电解质分解反应，且在这一过程中形成的界面膜成分无法保持稳定时，就会出现无负极电池性能下降（退化）现象。本次研究成果将为今后开发基于无负极技术的下一代电池系统提供重要线索。”

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。