近日,宁德时代21C创新实验室欧阳楚英、王瀚森团队独立完成的锂金属电池研究成果发表于国际顶级期刊《Nature Nanotechnology》,题为《Application-driven design of non-aqueous electrolyte solutions through quantification of interfacial reactions in lithium metal batteries》。该研究通过多尺度表征技术,首次定量解析了醚类电解液中锂盐与溶剂的分解路径,并提出了一种新型电解质设计方案,显著提升了锂金属电池的循环寿命。值得关注的是,研究中关键的气体溶解性测试数据由元能科技(IEST)的GVM2200原位产气体积分析仪精准完成,为揭示电池失效机制提供了重要支撑。
研究背景:锂金属电池的挑战与机遇
锂金属电池因其极高的能量密度被视为下一代储能技术的核心,但其商业化面临两大难题:
1、锂金属与电解液的副反应:持续形成的固态电解质界面(SEI)会消耗活性锂和电解液,导致电池失效。
2、电解液分解机制不明确:传统研究缺乏对界面反应的定量分析,难以指导电解质优化。
为此,研究团队结合滴定-质谱联用(T-DEMS)、萃取-色谱分析(E-G&IC)以及元能科技GVM2200原位测试技术,首次实现了对电解液分解路径的定量追踪。
GVM2200的关键作用:CO₂溶解性定量分析
研究中,团队发现正极侧DME溶剂的氧化会生成CO₂,并通过“电极间串扰”迁移至负极,与锂反应生成Li₂CO₃(反应式:4Li + 3CO₂ → 2Li₂CO₃ + C)。这一过程是导致活性锂损失的重要原因。
元能科技GVM2200通过阿基米德原理实时监测电解液中CO₂的溶解体积变化,精准量化了气体溶解度数据。该结果与理论模拟相互验证,明确了CO₂串扰对电池性能的影响,为后续电解质设计提供了关键参数。
创新电解质设计:从机理到应用
基于上述发现,团队提出“高盐浓度+低粘度稀释剂”的电解质优化策略:
1、最大化LiFSI含量:提升盐浓度以延缓锂离子耗尽;
2、引入低分子量稀释剂(如BTFE、苯):在保持高离子电导率(4.1mS/cm)的同时降低粘度(3.3mPa·s)。
采用优化后的电解液(LiFSI-1.2DME-3BTFE),20μm锂负极||NMC811电池在贫电解液条件(2.1g/Ah)下实现483次循环(容量保持率77%),较传统配方提升80%以上。
IEST元能科技:为前沿研究提供精准工具
本研究充分展现了GVM2200原位产气体积分析仪(如下图)在高水平科研中的价值:
高灵敏度:可检测微量气体溶解导致的体积变化,适用于电解液副反应研究。
兼容性广:满足锂金属电池苛刻的实验环境需求。
数据可重复:为理论模拟和工程化设计提供可靠实验基准。
元能科技持续致力于为能源材料研究提供原位表征解决方案,助力学术界与产业界突破电池技术瓶颈。
关于元能
元能科技是一家专注于锂离子电池检测仪器研发与生产的高新技术企业,致力于为全球新能源领域提供领先的检测解决方案与服务。
元能科技注重前沿技术研发,拥有材料、物理、化学、电化学、光学、机械、电子、计算机、人工智能等多学科多专业交叉的研发团队,围绕表征方法、设备技术、应用方案等开展自主研发,推出多款行业领先的新型仪器,获得了多项发明专利及实用新型专利,服务于全球众多材料企业、电芯企业、终端企业、科研院所、高校及政府检测单位。同时,元能科技积极推动建立行业上下游规范统一的检测方法,主导或参与制定多项国家标准、行业标准及团体标准,参与国家重点研发计划,助力新能源行业的创新与发展!
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