用于安全電池的有機(jī)電解質(zhì)

鋰離子電池在小型電子產(chǎn)品，電動(dòng)工具和大型電源套件（插電式）混合電力運(yùn)輸和電網(wǎng)系統(tǒng)中可謂無(wú)處不在。鋰／鈉電池嚴(yán)重的安全問(wèn)題阻礙了其大規(guī)模使用。傳統(tǒng)的電解質(zhì)具有高度的易燃性和揮發(fā)性，可能引起災(zāi)難性的火災(zāi)或爆炸。將阻燃劑溶劑引入電解質(zhì)中通常會(huì)因?yàn)檫@些溶劑不適當(dāng)?shù)剽g化碳質(zhì)陽(yáng)極導(dǎo)致電池性能的降低。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，日本東京大學(xué)Atsuo Yamada（通訊作者）團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種濃縮鹽電解質(zhì)設(shè)計(jì)，通過(guò)在陽(yáng)極上自發(fā)形成堅(jiān)固的無(wú)機(jī)鈍化膜來(lái)解決上述的困境。實(shí)驗(yàn)證明使用鹽和普通阻燃溶劑（磷酸三甲酯）的濃縮電解質(zhì)，不含任何添加劑或軟粘合劑，使硬碳和石墨陽(yáng)極的穩(wěn)定充放電循環(huán)超過(guò)1，000次循環(huán)（超過(guò)一年 ），這種性能與常規(guī)可燃碳酸鹽電解質(zhì)的性能相當(dāng)或更為優(yōu)越。濃縮電解液的非常規(guī)鈍化特性與其滅火性能相結(jié)合，有助于開(kāi)發(fā)安全，持久的電池，從而開(kāi)發(fā)出更高能量密度的電池。相關(guān)成果以題為“Fire－extinguishing organic electrolytes for safe batteries”發(fā)表在了Nature Energy上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 可充電電池技術(shù)概述

針對(duì)比較先進(jìn)的電池，研究發(fā)展分為兩種類型一個(gè)是采用“不同化學(xué)”的新興器件用于更大的能量密度，另一個(gè)是采用“不同元素或組分材料” 以獲得額外的功能，這兩項(xiàng)功能有時(shí)需要重新設(shè)計(jì)制造過(guò)程。

圖2 電解質(zhì)設(shè)計(jì)更安全電池的理念

a）由熱失控后可燃性電解質(zhì)蒸汽的噴射引起的電池爆炸的示意圖

b）陽(yáng)離子（紅色球體）在各種電解質(zhì)中插入碳質(zhì)陽(yáng)極中的插入行為

圖3 溶液結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)

a，b）1．0 M（a）和3．3 M（b）NaFSA／TMP溶液的電子結(jié)構(gòu)和協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)（插圖）

c）實(shí)驗(yàn)室制造的NaFSA／TMP電解質(zhì)和常規(guī)1．0M NaPF6／ECDEC（11體積比）電解質(zhì)的重量損失

d）e）實(shí)驗(yàn)室制造的3．3M NaFSA／TMP電解質(zhì)（d）和常規(guī)1．0M NaPF6／ECDEC（11體積比）電解質(zhì)（e）的火焰測(cè)試

圖4 半電池中的硬碳電極的電化學(xué)性能

a）循環(huán)表現(xiàn)和庫(kù)侖效率

b，c）選定的充放電電壓曲線

【小結(jié)】

該團(tuán)隊(duì)基于濃縮鹽電解質(zhì)概念開(kāi)發(fā)了用于可再充電電池的滅火有機(jī)電解質(zhì)。分別使用濃縮的NaFSA／TMP和LiFSA／TMP電解質(zhì)作為鈉離子和鋰離子電池的模型系統(tǒng)，證明它們不僅是一種強(qiáng)力的滅火劑，而且還可以穩(wěn)定地進(jìn)行硬質(zhì)的充放電循環(huán)，且降解可忽略不計(jì)，這與常規(guī)可燃碳酸鹽電解質(zhì)的性能相當(dāng)或更好。該設(shè)計(jì)策略極其簡(jiǎn)單和靈活，可以擴(kuò)展到不易燃或阻燃溶劑和堿性鹽的各種組合，為安全和高性能可充電電池的開(kāi)發(fā)提供了新途徑。