与其他现有的电池系统相比，锂金属电池具有许多显著的优势，包括高能量密度。尽管如此，由于电解质的易挥发性和易燃性，大多数现有的高能锂金属电池在极端环境下的使用通常被认为是不安全或不可行的。
巴伊拉大学、悉尼科技大学、CIC energiGUNE和清华大学的研究人员最近着手开发新的电解质，这种电解质可以支持锂金属电池在更广泛的环境条件下安全稳定地运行。这些电解质是用防火的磷腈衍生物聚合物基质合成的，发表在《自然能源》杂志上。
“用金属锂取代石墨阳极被认为是进一步提高锂电池能量密度的可行途径，”进行这项研究的研究人员之一Doron Aurbach教授告诉Tech Xplore。
然而，锂阳极在循环过程中枝晶的生长引发了灾难性的安全隐患，严重阻碍了其实际应用。为了解决这个问题，醚基电解质由于其与锂金属的反应性相对较低，已被广泛应用于锂金属电池中。”
醚基电解质溶液具有低粘度和高离子导电性。这些有利的性质有利于锂离子的快速传导和锂电池界面电荷的交换。
醚基电解质也与锂金属阳极高度兼容，因此它们可以在电池充电时抑制枝晶的生长。尽管有这些优点，但许多醚溶剂是高度易燃的，因此它们的使用会大大降低电池的安全性。
多伦说:“醚的低沸点会带来火灾、爆炸和液体泄漏等安全隐患。”“此外，醚基电解质的氧化稳定性不足，可能导致高压(>4 V vs. Li/Li+)下阴极表面溶剂分解失控，大大降低高压锂金属电池的可循环性。”
近年来，一些研究团队也引入了局部高浓度电解质，将游离溶剂分子限制在Li+溶剂化结构中。虽然这些替代电解质可以减少扑灭任何可能发生的火灾所需的时间，但它们并不能完全消除火灾或泄漏的风险。
Doron说:“聚磷腈阻燃剂具有优异的阻燃效果，在高分子阻燃剂领域得到了广泛的应用。”与局部高浓度电解质相结合，聚磷腈杂化物可以有效提高低添加量的阻燃效果。完整细胞的安全性可以大大提高。”
在他们最近的论文中，王国秀教授和他们的同事介绍了一种新的通用策略来优化醚基电解质，防止它们着火或泄漏，同时也提高了它们与电极的兼容性。该策略需要共溶剂和胶凝处理使用丁烯氧环三磷腈(BCPN)单体。
王说:“为了解决醚基电解质易燃性和氧化稳定性差的固有缺点，我们引入了氟甲基1,1,1,3,3,3-六氟异丙醚(SFE)作为醚溶剂的共溶剂(作为抗溶剂)，以提高抗氧化性和阴极的稳定性。”“然后，通过BCPN单体聚合，将这些二元电解质原位凝胶化，以实现阻燃性和界面相容性。”
在最初的测试中，王和他的合作者周东博士发现，他们提出的使用氟化共溶剂和防火聚合物矩阵的处理方法完全消除了锂金属电池的火灾和电解质泄漏风险。该团队还通过精心设计的Li+溶剂化护套，以及在阴极上形成的bcpn衍生的保护膜，实现了与高能阴极高度兼容的电解质。
周东博士说:“我们使用我们的凝胶电解质制造了高能量密度的Li| NCM811电池，这些电池实现了高容量保持、卓越的低温性能、高压下良好的可循环性和在恶劣条件下稳定的供电。”“我们成功解决了高能锂金属电池的安全问题。”
这组研究人员最近的工作可能对下一代锂电池的发展具有重要意义。《自然能源》杂志介绍的电解质及其基础设计策略可能很快为制造可在极端环境下工作的高能、耐用和安全可充电的锂金属电池开辟了一条新的道路。
王补充说:“在接下来的研究中，我们打算继续研究提高电池的安全性和低温性能，这将有助于扩大高能量密度电池在极端环境中的应用，例如允许它们集成在航空航天飞行器、潜艇和极地设备中。”
更多信息:孟跃峰等，设计磷腈衍生物电解质基质，使高压锂金属电池能够用于极端工作条件，自然能源(2023)。DOI: 10.1038/s41560-023-01339-z期刊信息:Nature Energy
?2023 Science X Network
引用: Phosphazene-ba
用于在极端环境下工作的高压锂电池的Sed电解质
2023年9月27日检索自https://techxplore.com/news/2023-09-phosphazene-ba
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