东方时讯网高能量密度锂离子(Li-ion)电池对于为电动和混合动力汽车、下一代电子产品和电网提供动力是必不可少的。这些锂离子电池包含基于过渡金属氧化物的高能量密度阴极。在众多研究的潜在材料中，LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2正极已被证明在4.5V的高电势下提供最佳性能，而Li/Li+具有高可逆容量。
然而，在如此高的电位下，商业电解质中的碳酸盐物质——碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯——会发生过度氧化分解。这反过来又会在阴极表面形成厚厚的阴极电解质界面(CEI)，严重影响其性能。因此，研究人员探索了将电解质添加剂作为一种通过掩蔽和稳定阴极表面来限制性能下降的方法。然而，当前可用的选项会带来安全和环境危害。
最近，由日本高级科学技术研究所(JAIST)的NoriyoshiMatsumi教授领导的一组研究人员通过微生物合成了2,5-二甲基-3,6-双(4-氨基苄基)吡嗪(DMBAP)，这是一种生物-基于化合物，作为稳定LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2阴极的潜在添加剂。他们的方法与众不同之处在于，与现有添加剂不同，DMBAP可持续、环保、经济且无毒。
该团队由JAIST的前高级讲师RajashekarBadam、博士后研究员AgmanGupta和博士生NoriyukiTakamori以及来自日本筑波大学的NaokiTakaya教授、助理教授ShunsukeMasuo和前研究生HajimeMinakawa组成。他们的发现已发表在《科学报告》上。
“虽然生物质衍生材料吸引了研究人员和整个社会，但它们在电子设备(包括锂离子电池)中的应用仍然有限。这项研究的重点是新型微生物代谢物，特别是来自该基因的独特的吡嗪衍生二胺DMBAP与Masuo教授合作发现的荧光假单胞菌SBW25簇。它作为电解质添加剂的作用可能会影响可持续性和智能电池行业领域，”Takaya教授在谈到这项研究背后的动机时解释道。
初步的理论评估表明，与通用电解质相比，DMBAP分子的最高占据分子轨道(HOMO)位于更高的位置。这使得它很容易在阴极表面被氧化并在其上形成保护层。此外，DMBAP中的二胺阻止了CEI的溶解。
该团队还对DMBAP进行了详细的电化学评估，以供进一步分析。使用线性扫描伏安法确认HOMO带能量，而X射线光电子能谱显示C-N=C峰表明氧化电聚合。
循环伏安法和充放电研究表明，DMBAP添加剂通过提高电池的倍率性能、循环稳定性、库仑效率和容量保持率来稳定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。
基于这些结果，该团队得出结论，DMBAP经历了牺牲氧化分解，在阴极表面形成了有机钝化层。这反过来又限制了电解质的过度降解，并稳定了阴极上过渡金属氧化物的结构。
实际上，这种良性现象将LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2阴极的工作电位窗口增加到4.5V(相对于Li/Li+)。此外，DMBAP对电池系统的稳定作用对于半电池和全电池配置都非常显着。
“微生物制备的吡嗪胺化合物DMBAP将提升下一代电动汽车和无人机所必需的锂离子二次电池的性能，也将促进生物基资源在大规模汽车工业中的更广泛利用。此外，用于储能设备的生物基材料将在制造和运营过程中加倍减少二氧化碳排放，”Matsumi教授在讨论他们工作的未来收益时说。