用于安全高压锂离子电池的环状磷酸盐基电解质

 
鉴于向可再生能源技术的不断转变以及物联网(IoT)设备的数量不断增长，全球研究人员一直在尝试开发可更高效，更长时间运行的电池。锂离子电池(LIB)当前是便携式电子设备的首选储能技术，因为它们包含有机电解质，通常可实现高工作电压和能量密度。
尽管已广泛使用它们，但进一步提高现有LIB的性能可能对其安全性产生重大影响。实际上，这些电池包含高挥发性和易燃的有机碳酸盐，如果点燃，会造成相当大的损害。
近年来，研究人员为克服这些安全问题做出了巨大的努力，例如，通过使用其他物质或优化分隔电池组件的材料。尽管其中一些策略成功地降低了电池着火的风险，但只要LIB由高度易燃的电解液制成，事故仍然可能发生。
为了为更安全，性能更好的LIB铺平道路，东京大学的研究人员最近设计并合成了另一种不可燃的环状磷酸盐基电解质。在《自然能源》上发表的一篇论文中介绍了它们的电解质，该电解质可实现安全，高度稳定的操作和高压，性能优于大多数现有LIB中包含的溶剂。
“开发锂离子电池(LIB)的电解质溶剂近30年来一直没有变，”开发新电解质的研究人员之一山田敦雄教授告诉TechXplore。 “因此，我们认为，如果我们找到替代的溶剂，那么高级LIB的开发空间将很大。在此基础上，在东京大学校长诚冈明教授的指导下，我们与教授进行了合作。有机合成领域的资深研究人员中村荣一(Eiichi Nakamura)设计了一种新的电解质溶剂，旨在提高电池性能和安全性。”
Yamada，Nakamura和他们的同事通过融合常规电解质溶剂EC和阻燃剂的化学结构来设计其环状磷酸盐基电解质。这提供了两个分子的磷酸盐特性，包括溶剂的耐高压性和阻燃剂的不易燃性，从而最大程度地降低了LIB起火的风险。
在合成电解质时，研究人员发现最有效的配方在TFEP / 2,2,2-三氟乙基甲基碳酸酯中含有0.95 M LiN(SO2F)2。这种特定的成分能够合成具有非燃性和自熄灭时间为零的电解液，并能使石墨阳极和高压LiNi0.5Mn1.5O4阴极稳定运行。
山田教授说：“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。” “我们惊讶地发现，所设计的溶剂确实显示出高耐电压性和阻燃能力，正如我们从其化学结构所期望的那样。重要的是，这是这种合理的化学结构设计成功地在电池电解质中实现的第一种情况。”
Yamada，Nakamura和他们的同事是最早发现替代电解质溶剂的人之一，该电解质溶剂可以提高LIB的安全性，同时也可以提高其性能。将来，他们的环状磷酸酯基电解质可用于制造适用于各种电子设备的安全高效的电池。
山田教授说：“我们希望我们的工作能激发许多研究人员设计和开发各种新型材料，以制成更好的电池。” “我们现在计划继续为商用电池应用开发这种新型电解质溶剂，并根据我们的设计策略开发新型多功能电池材料。”