Nat. Energy：用于安全電池的有機電解質

【引言】

鋰離子電池在小型電子產品，電動工具和大型電源套件（插電式）混合電力運輸和電網系統中可謂無處不在。鋰/鈉電池嚴重的安全問題阻礙了其大規模使用。 傳統的電解質具有高度的易燃性和揮發性，可能引起災難性的火災或爆炸。將阻燃劑溶劑引入電解質中通常會因為這些溶劑不適當地鈍化碳質陽極導致電池性能的降低。

【成果簡介】

近日，日本東京大學Atsuo Yamada（通訊作者）團隊報道了一種濃縮鹽電解質設計，通過在陽極上自發形成堅固的無機鈍化膜來解決上述的困境。實驗證明使用鹽和普通阻燃溶劑（磷酸三甲酯）的濃縮電解質，不含任何添加劑或軟粘合劑，使硬碳和石墨陽極的穩定充放電循環超過1,000次循環（超過一年 ），這種性能與常規可燃碳酸鹽電解質的性能相當或更為優越。濃縮電解液的非常規鈍化特性與其滅火性能相結合，有助于開發安全，持久的電池，從而開發出更高能量密度的電池。相關成果以題為“Fire-extinguishing organic electrolytes for safe batteries”發表在了Nature Energy上。

【圖文導讀】

圖1 可充電電池技術概述

針對比較先進的電池，研究發展分為兩種類型：一個是采用“不同化學”的新興器件用于更大的能量密度，另一個是采用“不同元素或組分材料” 以獲得額外的功能，這兩項功能有時需要重新設計制造過程。

圖2 電解質設計更安全電池的理念

a）由熱失控后可燃性電解質蒸汽的噴射引起的電池爆炸的示意圖

b）陽離子（紅色球體）在各種電解質中插入碳質陽極中的插入行為

圖3 溶液結構和理化性質

a，b）1.0 M（a）和3.3 M（b）NaFSA/TMP溶液的電子結構和協調結構（插圖）

c）實驗室制造的NaFSA/TMP電解質和常規1.0M NaPF6/EC:DEC（1:1體積比）電解質的重量損失

d）e）實驗室制造的3.3M NaFSA/TMP電解質（d）和常規1.0M NaPF6/EC:DEC（1:1體積比）電解質（e）的火焰測試

圖4 半電池中的硬碳電極的電化學性能

a）循環表現和庫侖效率

b，c）選定的充放電電壓曲線

【小結】

該團隊基于濃縮鹽電解質概念開發了用于可再充電電池的滅火有機電解質。分別使用濃縮的NaFSA/TMP和LiFSA/TMP電解質作為鈉離子和鋰離子電池的模型系統，證明它們不僅是一種強力的滅火劑，而且還可以穩定地進行硬質的充放電循環，且降解可忽略不計，這與常規可燃碳酸鹽電解質的性能相當或更好。該設計策略極其簡單和靈活，可以擴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發提供了新途徑。

文獻鏈接：Fire-extinguishing organic electrolytes for safe batteries（Nat. Energy,2017,DOI:10.1038/s41560-017-0033-8）

本文由材料人新能源前線Allen供稿，材料牛整理編輯。

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