鋰離子電池在小型電子產(chǎn)品，電動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)中可謂無處不在。鋰／鈉電池嚴(yán)重的安全問題阻礙了其大規(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)中通常會因為這些溶劑不適當(dāng)?shù)剽g化碳質(zhì)陽極導(dǎo)致電池性能的降低。
【成果簡介】
近日，日本東京大學(xué)Atsuo Yamada（通訊作者）團(tuán)隊報道了一種濃縮鹽電解質(zhì)設(shè)計，通過在陽極上自發(fā)形成堅固的無機(jī)鈍化膜來解決上述的困境。實(shí)驗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，使硬碳和石墨陽極的穩(wěn)定充放電循環(huán)超過1，000次循環(huán)（超過一年 ），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，有助于開發(fā)安全，持久的電池，從而開發(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
針對比較先進(jìn)的電池，研究發(fā)展分為兩種類型：一個是采用“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(shè)計制造過程。
圖2 電解質(zhì)設(shè)計更安全電池的理念
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）陽離子（紅色球體）在各種電解質(zhì)中插入碳質(zhì)陽極中的插入行為
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)驗室制造的NaFSA／TMP電解質(zhì)和常規(guī)1．0M NaPF6／EC：DEC（1：1體積比）電解質(zhì)的重量損失
d）e）實(shí)驗室制造的3．3M NaFSA／TMP電解質(zhì)（d）和常規(guī)1．0M NaPF6／EC：DEC（1：1體積比）電解質(zhì)（e）的火焰測試
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)和庫侖效率
b，c）選定的充放電電壓曲線
【小結(jié)】
該團(tuán)隊基于濃縮鹽電解質(zhì)概念開發(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，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)計策略極其簡單和靈活，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發(fā)提供了新途徑。
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