JAIST用微生物合成电解质添加剂 以稳定锂离子电池

为电动和混合动力汽车、下一代电子器件和电网供电，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正极。在众多被研究的潜在材料中，LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2正极已被证明在4.5 V（vs Li/Li+）的高电位下具有最佳性能，以及较高的可逆容量。

（图片来源：日本先进科学技术研究所）

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然而，在这样的高电位下，商用电解质中的碳酸盐类化合物（碳酸次乙酯和碳酸二乙酯）会出现过度的氧化分解，使正极形成厚厚的正极电解间相（CEI），严重影响其性能。研究人员希望使用电解质添加剂，作为掩蔽和稳定正极表面的方法。然而，目前的可用材料均存在安全风险和环境危害。

据外媒报道，最近，由日本先进科学技术研究所（JAIST）Noriyoshi Matsumi教授负责的研究团队利用微生物合成了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作为潜在添加剂，用来稳定LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2正极。与现有添加剂相比，DMBAP具有可持续、环保、成本低和无毒的优势。

研究人员之一、筑波大学的Naoki Takaya教授表示：“在电动汽车及锂离子电池中，生物衍生材料的应用还很有限。这项研究重点关注新型微生物代谢产物，尤其是荧光假单胞菌SBW25基因簇中独特的吡嗪衍生二胺DMBAP，这是与助理教授Shunsuke Masuo合作发现的。作为电解质添加剂，这种物质或将对可持续发展领域和智能电池产业产生影响。”

初步理论评估表明，与通用电解质相比，DMBAP分子的最高占有分子轨道（HOMO）位于更高的位置。因此，DMBAP很容易在正极表面被氧化并形成保护层。此外，DMBAP中的二胺可以抑制CEI溶解。

为了深入进行分析，该团队还对DMBAP进行了详细的电化学评估。通过线性扫描伏安法确认HOMO带能，同时X射线光电子光谱显示氧化电聚反应的C−N=C峰。

循环伏安法和充放电法研究显示，DMBAP添加剂可提高电池的速率能力、循环稳定性、库仑效率和容量保留率，从而稳定LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2正极。此外，动态电化学阻抗谱实验证明低界面电阻CEI的形成。

在这些研究结果的基础上，该团队得出结论，DMBAP发生了牺牲氧化分解，在正极表面形成了有机钝化保护层。这反过来抑制电解质过度降解，从而稳定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正极的工作电位窗口升高到4.5 V（vs Li/Li+）。此外，在半电池和全电池中，DMBAP对电池系统能起到明显的稳定作用。

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，还将促进大规模汽车产业广泛利用生物基资源。此外，在储能装置使用生物基材料，可在制造和操作过程中成倍地减少二氧化碳排放。”