曹余良课题组非燃磷酸酯电解液研究获突破 相关论文发表于《自然·能源》
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曹余良课题组非燃磷酸酯电解液研究获突破 相关论文发表于《自然·能源》

作者: 来源: 发布时间:2018-07-25

新闻网讯(通讯员何剑超72日,国际权威期刊Nature Energy(《自然•能源》,影响因子46)在线发表了化学与分子科学学院曹余良教授团队关于非燃磷酸酯电解液在锂离子电池应用领域中的研究成果。

高摩尔比磷酸酯电解液结构特点和不燃性

论文题为Non-flammable electrolytes with high salt-to-solvent ratios for Li-ion and Li-metal batteries(《高摩尔比非燃电解液用于锂离子和锂金属二次电池》,DOI: 10.1038/s41560-018-0196-y),曹余良、武汉理工大学肖利芬和美国西北太平洋国家实验室刘俊为共同通讯作者,我校化学与分子科学学院博士生曾子琪为第一作者,其他作者还包括化学与分子科学学院江晓宇博士。该研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金委的支持。

锂离子电池安全性问题一直制约着锂二次电池向电动汽车和大规模储能领域发展,而影响锂二次电池安全性的主要因素是易燃有机电解液的使用。传统的做法是在电解液中添加阻燃剂,曹余良课题组则另辟蹊径,长期致力于非燃磷酸酯溶剂完全替换目前可燃体系,试图从根本上解决这一问题。然而,小分子磷酸酯类化合物在石墨和金属锂负极表面会发生强烈的还原分解,无法形成完整的钝化膜,因此难以实现锂离子的可逆脱嵌,限制了其应用发展。

针对上述问题,该团队通过将盐与溶剂的摩尔比率(MR)控制在溶剂电化学稳定阈值内(>12),优选出了氟磺酰亚胺锂(LiFSI)与磷酸三乙酯(TEP)摩尔比为12的电解液。该体系不仅具有低的摩尔浓度(~2.2 mol/L)、较低粘度、较高电导率。而且,值得注意的是,在这种高摩尔比(盐与溶剂比)体系中,大多数TEP分子与Li+络合,几乎无自由的溶剂分子存在,造成溶剂还原电位负移,抑制了溶剂分子在负极表面的不可逆分解,实现石墨和金属锂负极的可逆电化学循环。

此外,包含钴酸锂正极、石墨负极和这种非燃电解液的18650软包实际电池表现出高的首周库仑效率和放电容量以及稳定的循环性能,同时该18650电池均通过了针刺、短路、重物冲击等安全性测试,表现出了优异的安全性能。

该工作提出了高的盐与溶剂的摩尔比是稳定溶剂电化学性质的关键,以此实现了高摩尔比且低浓度盐的非燃电解液体系。这种非燃电解液在保证优异电化学性能和安全性的基础上,进一步降低了电解液的粘度和成本,这对后续的研究(如溶剂分子的结构设计)和商业化开发具有重要理论和技术指导意义,可进一步促进电动汽车安全性锂离子电池的应用开发。

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41560-018-0196-y