北陸先端科學技術大學院研究團隊開發出新型電解液添加劑(FPTI),可保護鋰離子電池的石墨負極,大幅提升其耐久性。由於石墨電極可以穩定充放電,鋰離子電池往往採用石墨負極。在負極表面會有部分電解液分解,形成所謂的「固態電解質界面(SEI)」薄膜,發揮保護負極表面的作用。然而這層保護膜並不穩定,在某些狀況下甚至可能導致電池容量下降,因此需要形成穩定的保護膜。研究團隊為此設計出由3-噻吩甲醛與五氟苯胺反應合成,具有高氟含量的亞胺化合物「FPTI」,作為電解液添加劑。
研究團隊使用石墨負極與金屬鋰正極,製作實驗用CR2025規格鈕扣型電池,並在電解液中添加FPTI,利用計算化學(密度泛函計算)解析後發現,FPTI的最低未占分子軌域(LUMO)能階低於一般電解液成分或黏結劑,因此更容易先在負極表面發生還原反應,並可藉此形成SEI保護膜,抑制電解液發生不必要的分解。在添加FPTI的電池中,負極表面的SEI電阻,以及鋰離子在負極與電解液之間移動的電阻均有下降,代表鋰離子移動難易程度的擴散係數亦有提升,可確認鋰離子在添加FPTI後更容易移動。此外,分析添加FPTI的電池負極表面後確實發現有富含氟化鋰的穩定SEI形成。
在長時間充放電實驗中,先進行3個0.1C倍率的循環,其後則均進行0.5C倍率的循環。結果顯示,相對於約200循環時的最大容量,在1,000循環時,添加2 mg/mL FPTI的電池容量維持率為89.4%,添加4 mg/mL的電池為95.6%,未添加FPTI的電池則為62.7%,顯示添加FPTI可抑制石墨負極的容量下降。另外,採用NMC811正極與石墨負極,不在電解液中加入FPTI,改以含有4 mg/mL FPTI的電解液處理負極,預先形成SEI保護膜,發現電池能量密度可達233 Wh kg⁻¹。