JAIST用微生物合成电解质添加剂以稳定锂离子电池

盖世汽车讯为电动和混合动力汽车、下一代电子设备和电网供电，高能量密度锂离子电池必不可少。这些锂离子电池采用基于过渡金属氧化物的高能量密度阴极。在所研究的许多潜在材料中，LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2阴极被证明在4.5v的高电位下具有最好的性能和高可逆容量

然而，在如此高的电位下，商用电解液中的碳酸盐化合物会发生过度的氧化分解，形成厚的正极电解界面(CEI)，严重影响其性能。研究人员希望使用电解质添加剂作为掩盖和稳定正极表面的方法。然而，目前可用的材料具有安全风险和环境危害。

据国外媒体报道，近日，日本高级科学技术研究所教授Noriyoshi Matsumi领导的研究小组合成了2，5-二甲基-3，6-双(4-氨基苯基)吡嗪(DMPAB)。这种生物基化合物可以用作稳定LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2正极的潜在添加剂。与现有添加剂相比，DMBAP具有可持续、环保、低成本、无毒等优点。

研究人员之一的筑波大学教授Naoki Takaya表示:“在电动汽车和锂离子电池中，生物衍生材料的应用仍然有限。这项研究专注于新的微生物代谢产物，特别是荧光假单胞菌SBW25基因簇中独特的吡嗪衍生二胺DMBAP，这是与助理教授俊介·玛索合作发现的。这种物质作为电解液添加剂，可能会对可持续发展领域和智能电池行业产生影响。”

理论计算表明，DMBAP分子的最高占据轨道比一般电解质分子的高。因此，DMBAP容易在正极表面被氧化，形成保护层。此外，DMBAP中的二胺能抑制CEI的溶出。

为了进行深入分析，该小组还对DMBAP进行了详细的电化学评估。通过线性扫描伏安法确定HOMO能带能量，并且X射线光电子能谱显示氧化电聚合的CN = C峰。

循环伏安和充放电测试表明，DMBAP添加剂可以提高电池的倍率性能、循环稳定性、库仑效率和容量保持率，从而稳定LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2正极。此外，动态电化学阻抗谱实验证明了低界面电阻CEI的形成。

基于这些研究结果，研究小组得出结论，DMBAP经历了牺牲氧化分解，在阴极表面形成了有机钝化层。这反过来抑制了电解质的过度降解，从而稳定了正极上过渡金属氧化物的结构。

实际上，这种良性现象使LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2阳极的工作电位窗口上升到4.5 V..此外，DMBAP能明显稳定半电池和全电池的电池系统。

Matsumi教授表示:“利用微生物制备吡嗪-胺化合物DMBAP将提高锂离子二次电池的性能，也将促进生物基资源在大型汽车工业中的广泛使用。此外，在储能装置中使用生物基材料可以在制造和操作过程中减少数倍的二氧化碳排放。”