含氟电解液 提高储能锂电池安全性

锂离子电池因其高能量密度以及高的操作电压被广泛应用于移动电子以及电动汽车中。但进一步提升锂离子电池的容量或者电压是建立在牺牲更多的安全性之上。传统的锂离子电池电解液是高度活泼的LiPF6等锂盐与碳酸酯类溶剂的结合,然而传统有机溶剂的高挥发性,锂盐的活泼性,电解质整体的可燃性给电池带来了很多热稳定性方面的隐患。相比于热响应性组件,开发高热稳定性和电化学稳定性的不可燃电解质是解决电池安全问题的经济方便且有效策略,但其一直缺乏合适的溶剂选择,之前文献报道的磷酸酯类溶剂存在不兼容石墨,不耐高压等一系列问题,严重阻碍其进一步实际应用。

日本东京大学Eiichi Nakamura和Atsuo Yamada教授(共同通讯作者)课题组基于上述问题,合成了氟化环状磷酸酯溶剂:2-(2,2,2-三氟乙氧基)-1,3,2-二氧磷杂环戊烷-2-氧化物(TFEP)作为主溶剂,用于高操作电压及高安全性的锂离子电池。该工作于2020年3月2日在线发表于国际顶级期刊Nature Energy.

东京大学研究员通过新TFEP电解液提高锂电安全性

图片来源:东京大学

东京大学研究人员山田敦雄教授表示:“电池的电压主要受到电解质材料的限制。当前锂离子电池中的电解质溶剂依然使用1990年代初刚刚商业化所使用的溶剂。因此我们找到了改进的方法。我们的新型氟化环状磷酸盐溶剂(TFEP)电解质大大改进了现有的碳酸亚乙酯(EC)。”

据了解,TFEP溶剂分子中的环状碳酸酯分子结构可以形成稳定的固体电解质中间相,而有机磷酸酯分子结构可以捕获氢自由基并防止燃烧。将0.95 M LiFSI溶于TFEP和2,2,2-三氟乙基甲基碳酸酯(FEMC)共溶剂,发现其具有高度不可燃性和零自熄时间,且能够在石墨负极和高电压LINi0.5Mn1.5O4(LNMO)正极中稳定运行。该项工作首次赋予了较低浓度下电解液的不可燃性与耐高电压性质。

“出乎意料的是,新的电解质溶剂可以将电池电压从当前的3.8 V增加到4.6 V,还可以延长电池寿命。我们为这一进展感到骄傲,它的有效性让人有点吃惊。这是因为我们提出TFEP的方法本身就很新颖。大多数关于电解质的研究都是摸着石头过河的。我们的方法来自于对潜在分子结构的理论理解。在实验验证之前,我们预测了安全的高电压特性。所以,这真是个意外的惊喜。”

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