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廈大董全峰/鄭明森Small：β-胡蘿卜素捕獲活性氧實(shí)現(xiàn)長壽命富鋰正極

具有高能量密度的富鋰層狀氧化物（LR）是很有前途的正極材料，其關(guān)鍵問題是在高電壓下晶格氧的釋放以及造成的電解液分解、晶體結(jié)構(gòu)的不可逆相變、容量退化和電壓衰減。因此，捕獲活性氧并通過清除效應(yīng)進(jìn)一步構(gòu)建正極-電解液界面（CEI）保護(hù)層是解決這些問題的基本步驟。

在此，廈門大學(xué)董全峰教授、鄭明森教授等人選擇β-胡蘿卜素（C₄₀H₅₆）作為清除分子并將其添加到電解液中，以捕獲第一次高壓充電產(chǎn)生的活性氧物種，然后通過原位清除作用構(gòu)建多功能CEI。具體而言，β-胡蘿卜素具有淬滅單線態(tài)氧和清除氧自由基的作用，其抗氧化特性能夠有效清除LR首次充電時(shí)產(chǎn)生的活性氧，抑制碳酸鹽電解液在高壓下的分解。

此外，β-胡蘿卜素添加劑可在≈4.5 V被氧化，形成一種特殊且穩(wěn)定的雙層CEI，外層有機(jī)成分較多，內(nèi)層無機(jī)成分占主導(dǎo)地位，有效保持表面和晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖1. 基于不同電解液的LR正極的性能對比

因此，受益于上述優(yōu)勢，含β-胡蘿卜素電解液的LR正極在1 C時(shí)200次循環(huán)后的容量保持率達(dá)到93.4%，而在對照電解液系統(tǒng)中僅為為62.5%。此外，正極電壓衰減也得到抑制，電壓保持率也可以達(dá)到90%。

更重要的是，DSC結(jié)果表明，含β-胡蘿卜素的電解液表現(xiàn)出優(yōu)異的熱力學(xué)穩(wěn)定性，保證了LR基電池的安全性能。這項(xiàng)研究為開發(fā)不含雜原子的新型電解液添加劑提供了思路，實(shí)現(xiàn)了LR正極的長壽命循環(huán)和高熱穩(wěn)定性，促進(jìn)了高能量密度鋰離子電池的實(shí)際應(yīng)用。

圖2. 不同電解液體系的熱穩(wěn)定性分析

An Active-Oxygen-Scavenging Oriented Cathode-Electrolyte-Interphase for Long-Life Lithium-Rich Cathode Materials, Small 2021. DOI: 10.1002/smll.202106072

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