南京工业大学陈宇辉/中科院苏州纳米所沈炎宾,最新Nature Chemistry: 电池电极材料中气体析出机理的解析

第一作者： Wentao Wang、Weihong Li

通讯作者：陈宇辉、沈炎宾

通讯单位：南京工业大学、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所

LiFe_xMn_1−xPO₄电极材料在提升电池安全性、功率密度和成本效益方面展现出显著的潜力。然而，气体的释放会缩短电池的循环寿命，并带来更多的安全问题，这构成了一个重大挑战。锂氟铁锰磷酸盐电池中的气体释放机制尚不明确，阻碍了材料改进工作的开展。

在此，本文研究了一种LiFe_xMn_1−xPO₄-石墨全电池，同时对正负极的气体释放进行了定量分析和探究。

要点1.本文设计了一种双电极动态电化学测量系统，能够同时且独立地测量每个电极的气体生成情况，并定量研究了液流电池中溶解金属离子对负极气体生成的影响。开发了一种具有致密碳层涂层的LiFe_xMn_1−xPO₄材料，它能将金属离子的溶解抑制一个数量级，并最大程度地减少了两个电极处的副反应。一个4.1Ah^-1的软包电池在540次循环中表现出稳定的性能，容量保持率超过90%。

要点2.研究表明，抑制Mn/Fe离子从LFMP电极浸出至关重要。该研究在LFMP材料上包覆了均匀的碳层，有效抑制了Mn/Fe浸出，从而减少了电池由副反应引起的气体析出。这些发现促成了改进的正极涂层策略的提出，该策略能够有效抑制过渡金属离子的溶解，减少由副反应引起的气体生成，并提高电池的循环稳定性和安全性。

图1：LFMP电池的电化学性能和气体析出。a，b，纽扣电池中LFMP-锂半电池在25 ℃、2.5-4.5 V范围内0.1C时的充电-放电曲线（a）和倍率性能（b）。c，LFMP-石墨3.5 Ah袋式全电池在1 C、25 ℃、2.5-4.35 V电压范围内的循环性能。d，充电过程前后LFMP-石墨袋式电池中气相的质谱比较。e，f，在25 ℃（e）和45 ℃（f）下首次充电和首次放电期间LFMP-石墨全电池的原位单流DEMS。

图2：电解液中水浓度对氢气析出的影响。a，LFMP-石墨电池首次充电和首次放电过程中的气体析出，电解液中含有524 ppm D₂O，温度为25 ℃。速率：0.4 C。b，使用具有各种D₂O浓度的电解质的电池中的H₂、HD和D₂析出量的比较。c， D₂O浓度对氢析出比率的影响。

参考文献：Wentao Wang, Weihong Li, Fengjiao Yu. et al. Unravelling gas evolution mechanisms in battery electrode materials. Nature Chemistry. (2025). 

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