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10月19日，東京大學研究團隊研發(fā)了一種新型鋰離子電池。該電池采用無鈷材料作為正極，硅氧化物作為負極，能夠達到4.9伏的最大電壓，并首次實現(xiàn)了1000次充放電循環(huán)的穩(wěn)定性。這一重大進展得益于其獨特的電解質設計策略。該設計提升了負極的反應電位，有助于形成堅固的鈍化層，并提高電解液還原和氧化穩(wěn)定性。

鋰化/脫鋰電位的提高和鈍化層的形成是電解質設計和電池開發(fā)的關鍵。LiNi0.5Mn1.5O4作為無鈷正極材料，具有高工作電位（平均4.7伏）和較高理論比容量（每克147毫安時）的優(yōu)點。然而，LiNi0.5Mn1.5O4在高電位下會引起電解液氧化、鋁陽極腐蝕和正極材料中過渡金屬溶出等問題。SiOx作為負極材料，具有理論比容量高（每克1965~4200 毫安時）、成本低和儲量豐富的優(yōu)勢。然而，其在充放電過程中會發(fā)生大幅度的體積變化（高達200%），導致負極顆粒和表面鈍化層破壞，從而加速電解液降解。

為解決上述問題，研究團隊通過優(yōu)化電池系統(tǒng)的整體電位圖，設計了一種獨特的電解液結構，即濃度為3.4摩爾每升的LiFSI/FEMC (LiN(SO2F)2 /methyl (2,2,2-trifluoroethyl) carbonate)。在該設計中，絕大多數(shù)鋰離子與FSI-陰離子緊密結合，構成了致密的離子對結構。該結構破壞了電解液中鋰離子的穩(wěn)定性，從而使負極反應的電勢增加，降低了電解液還原的可能性。通過FSI-陰離子在負極表面的分解，成功形成了一個富含無機物的堅固鈍化層。該鈍化層不僅高效地傳導鋰離子，而且機械和化學均表現(xiàn)出強穩(wěn)定性，有效地抑制了電解液在負極表面的進一步降解。為了提高正極反應的電勢并增強電解液的氧化穩(wěn)定性，團隊還加入了含氟溶劑FEMC。該溶劑降低了對鋰離子和鋁陽極的侵蝕，有效地減緩了正極材料中的過渡金屬的溶出速度。


該研究為鋰離子電池的持續(xù)高效發(fā)展提供了新的方向，促進經(jīng)濟和綠色電極材料的利用，并有望擴展至其他電化學能源領域。相關的研究成果已發(fā)表在《Nature Sustainability》期刊中。 

原標題：東京大學研發(fā)一種新型無鈷鋰離子電池