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用于安全电池的有机电解质

导读: 锂离子电池在小型电子产品,电动工具和大型电源套件(插电式)混合电力运输和电网系统中可谓无处不在。锂/钠电池严重的安全问题阻碍了其大规模使用。

锂离子电池在小型电子产品,电动工具和大型电源套件(插电式)混合电力运输和电网系统中可谓无处不在。锂/钠电池严重的安全问题阻碍了其大规模使用。传统的电解质具有高度的易燃性和挥发性,可能引起灾难性的火灾或爆炸。将阻燃剂溶剂引入电解质中通常会因为这些溶剂不适当地钝化碳质阳极导致电池性能的降低。

【成果简介】

近日,日本东京大学Atsuo Yamada(通讯作者)团队报道了一种浓缩盐电解质设计,通过在阳极上自发形成坚固的无机钝化膜来解决上述的困境。实验证明使用盐和普通阻燃溶剂(磷酸三甲酯)的浓缩电解质,不含任何添加剂或软粘合剂,使硬碳和石墨阳极的稳定充放电循环超过1,000次循环(超过一年 ),这种性能与常规可燃碳酸盐电解质的性能相当或更为优越。浓缩电解液的非常规钝化特性与其灭火性能相结合,有助于开发安全,持久的电池,从而开发出更高能量密度的电池。相关成果以题为“Fire-extinguishing organic electrolytes for safe batteries”发表在了Nature Energy上。

【图文导读】

图1 可充电电池技术概述

用于安全电池的有机电解质

针对比较先进的电池,研究发展分为两种类型:一个是采用“不同化学”的新兴器件用于更大的能量密度,另一个是采用“不同元素或组分材料” 以获得额外的功能,这两项功能有时需要重新设计制造过程。

图2 电解质设计更安全电池的理念

用于安全电池的有机电解质

a)由热失控后可燃性电解质蒸汽的喷射引起的电池爆炸的示意图

b)阳离子(红色球体)在各种电解质中插入碳质阳极中的插入行为

图3 溶液结构和理化性质

用于安全电池的有机电解质

a,b)1.0 M(a)和3.3 M(b)NaFSA/TMP溶液的电子结构和协调结构(插图)

c)实验室制造的NaFSA/TMP电解质和常规1.0M NaPF6/EC:DEC(1:1体积比)电解质的重量损失

d)e)实验室制造的3.3M NaFSA/TMP电解质(d)和常规1.0M NaPF6/EC:DEC(1:1体积比)电解质(e)的火焰测试

图4 半电池中的硬碳电极的电化学性能

用于安全电池的有机电解质

a)循环表现和库仑效率

b,c)选定的充放电电压曲线

【小结】

该团队基于浓缩盐电解质概念开发了用于可再充电电池的灭火有机电解质。分别使用浓缩的NaFSA/TMP和LiFSA/TMP电解质作为钠离子和锂离子电池的模型系统,证明它们不仅是一种强力的灭火剂,而且还可以稳定地进行硬质的充放电循环,且降解可忽略不计,这与常规可燃碳酸盐电解质的性能相当或更好。该设计策略极其简单和灵活,可以扩展到不易燃或阻燃溶剂和碱性盐的各种组合,为安全和高性能可充电电池的开发提供了新途径。

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