鋰離子電池是最有效和廣泛使用的電池技術(shù)之一。然而，電池的電解質(zhì)主要含有有機(jī)碳酸溶劑，它們被認(rèn)為是高度易燃的，溫度窗口很窄。為確保它們?cè)跇O端溫度下運(yùn)行時(shí)不會(huì)著火，工程師必須設(shè)計(jì)更安全的電解液，這些電解液不僅不易燃，而且能夠在很寬的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。

加州大學(xué)圣地亞哥分校的ShirleyMeng小組和陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員最近開(kāi)發(fā)了新的液化氣電解質(zhì)，可用于生產(chǎn)可在-60至55oC安全運(yùn)行的鋰金屬電池。這些電解質(zhì)具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，在NatureEnergy上發(fā)表的一篇論文中進(jìn)行了概述，這使得它們能夠滅火。

“液化氣電解質(zhì)(LGE)是我們研究小組在2017年發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇論文中首先概念化的，并且已經(jīng)開(kāi)發(fā)了五年多，”孟教授實(shí)驗(yàn)室從事該領(lǐng)域研究的研究人員YijieYin，告訴TechXplore。“它由多種碳氟化合物氣體組成，在壓力下會(huì)液化，形成化學(xué)穩(wěn)定、冰點(diǎn)低、成本低的電解質(zhì)。”

與之前論文中介紹的許多最先進(jìn)的電解質(zhì)相比，Yin及其同事設(shè)計(jì)的LGE與鋰金屬電池具有高度的兼容性。在使用鋰負(fù)極的初始測(cè)試中，它在500次循環(huán)中達(dá)到了99.6%的平均庫(kù)侖效率(CE)，并且能夠在極端條件下循環(huán)18650節(jié)電池。

該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的初始LGE是基于氟甲烷(FM)和二氟甲烷(DFM)。盡管它們具有優(yōu)勢(shì)，但這些電解質(zhì)在中等操作壓力下仍然是易燃的。

“為了克服我們之前測(cè)試所揭示的安全問(wèn)題，我們通過(guò)在其成分中加入清潔的滅火劑來(lái)體現(xiàn)LGE的安全特性，這是LGE系統(tǒng)獨(dú)有的功能，”Yin解釋說(shuō)。“1,1,1,2四氟乙烷(TFE)和五氟乙烷(PFE)是滅火溶劑，還能保持低冰點(diǎn)，降低蒸氣壓，成本低。”

該團(tuán)隊(duì)最近的論文中介紹的新LGE大部分(即，其體積比的80%以上)由清潔的滅火成分TFE和PFE組成。這大大提高了它們的安全性，大大降低了鋰金屬電池在高溫下著火的風(fēng)險(xiǎn)。

“我們還添加了二甲醚來(lái)溶解鹽，并形成高濃度的鹽醚比電解質(zhì)，從而為鋰和陰極提供寬廣的電化學(xué)窗口和穩(wěn)定的界面，”尹說(shuō)。“由于它們的低蒸汽壓(~5atm)，液化氣溶劑可以很容易地根據(jù)它們?cè)诓煌瑴囟认碌恼羝麎翰钸M(jìn)行回收。”

-20oC的溫度下運(yùn)行，并且會(huì)在過(guò)度充電期間使設(shè)備過(guò)熱。未來(lái)，尹和他的同事們介紹的LGE可以替代其中一些電解質(zhì)，有助于提高鋰電池技術(shù)的安全性。

由于其獨(dú)特的溶劑化結(jié)構(gòu)，所開(kāi)發(fā)的電解質(zhì)不僅在超過(guò)130度的寬溫度范圍內(nèi)保持接近恒定的電導(dǎo)率，而且確保了Li+陽(yáng)離子而不是當(dāng)前液體電解質(zhì)中的陰離子是主要的傳輸物質(zhì).這兩個(gè)因素都有助于提高電池倍率性能，從而允許電池在低溫下運(yùn)行。

在他們最近的實(shí)驗(yàn)中，Yin、Borodin和他們的同事展示了他們改進(jìn)的LGE設(shè)計(jì)的許多優(yōu)勢(shì)，包括它們的性能、對(duì)寬溫度的適應(yīng)能力以及它們的可持續(xù)性。此外，他們的方法非常獨(dú)特，因?yàn)樗匦聦徱暳穗姵丶夹g(shù)電解質(zhì)設(shè)計(jì)的一些基本原理。

“由于二甲醚是一種新報(bào)道的溶劑，它具有最簡(jiǎn)單的醚，可能與鋰金屬相容。它還具有出色的物理性能和電化學(xué)傳輸性能，”尹補(bǔ)充道。“我們現(xiàn)在計(jì)劃在其他電池研究中挖掘二甲醚的潛力——例如，在超低溫下運(yùn)行的電池。追求高電壓(>4.5V)電池也是我們的興趣所在。我們的論文沒(méi)有解決高電壓-電壓穩(wěn)定性，我們將進(jìn)一步開(kāi)發(fā)我們的電解質(zhì)以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，并如我們的NatureEnergy論文所報(bào)道的那樣保持性能多功能性。”

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