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热点解读:日本防火防爆电解液


来源:第一电动汽车网

近日,媒体纷纷报道日本研发了一种具有非常高的安全性的电解液。根据报道,研究人员在有机锂离子电池电解液中添加了磷酸三甲酯阻燃剂,从而降低了锂离子电池电解液的可燃性,并且可以高效的充放电1000次以上,小

近日,媒体纷纷报道日本研发了一种具有非常高的安全性的电解液。根据报道,研究人员在有机锂离子电池电解液中添加了磷酸三甲酯阻燃剂,从而降低了锂离子电池电解液的可燃性,并且可以高效的充放电1000次以上,小编带着好奇为大家解读一下这篇文章。

锂离子电池由于电势较高,因此只能使用有机电解液,导致电解液具有较高的可燃性,这也是人们质疑锂离子电池安全性的重要原因。电解液阻燃剂并不是新的发明,只不过是因为阻燃剂加入会严重的影响锂离子电池的电化学性能,为此在商业电解液中很少添加阻燃剂。为了同时兼顾电化学性能和阻燃性能,科研人员提出了多种方法,例如我们之前就曾经报道过美国加州大学圣迭戈分校的科研人员就提出了将阻燃剂DBA(二苄胺)采用胶囊包装的形式,添加到电解液之中,在电池遭受到机械挤压时,阻燃剂DBA能够快速释放到电解液之中,阻断锂离子电池的电化学反应,而在正常使用过程中DBA被封锁在胶囊中,不会对锂离子电池的电性能产生影响【1】。

日本关于新型阻燃电解液的文章发表在著名期刊Natrue Energy上【2】,根据文章的简介来看,日本的科研人员是使用了高浓度的NaN(SO2F)2(NaFSA) or LiN(SO2F)2 (LiFSA)电解液,并向其中添加了常见的阻燃剂磷酸三甲酯TMP,这种高浓度电解液能够在碳负极的表面形成一层无机钝化层(SEI膜),能够显著的改善锂离子电池的循环性能和热稳定性。最为重要的一点是,阻燃剂的加入并没有降低锂离子电池的电化学性能,采用该电解液的电池能够稳定的循环1000次以上,而没有明显的衰降,这就是这款电解液的厉害之处了。

下面,小编就为大家详细解读一下这篇看上去很厉害的文章。根据文章的介绍,日本科研工作者之所以选择NaN(SO2F)2(NaFSA) or LiN(SO2F)2 (LiFSA)作为溶质盐,主要是因为这两种盐阴、阳离子之间的作用力很弱,即便是在较高的浓度下仍然能够维持较高的离子电导率,这也是能够使用高浓度电解液的关键。

为了更快的评估这款电解液的性能Jianhui Wang首先利用循环性能更差的钠离子电池体系做了评估,实验中Jianhui Wang配制了三种浓度的NaFSA/TMP电解液(1.0M,2.2M和3.3M),这三款电解液的物性指标如下表所示。从表中可以看到,这几款电解液的例子电导率、粘度都在可接受的范围内。并且高浓度电解液极大的提高了该电解液的热稳定性,在150℃下,3.3M的NaFSA/TMP电解液失重仅为1.2g,远远低于传统电解液的35g。

一款电解液获得良好的电化学性能的基础是在负极上形成稳定的SEI膜,传统的有机电解液在负极表面形成的是由有机/无机颗粒组成的混合SEI膜,这层SEI膜中的有机成分的稳定性较差,这也是影响锂离子电池热稳定性的重要因素。Jianhui Wang研发的这款高浓度NaFSA/TMP电解液(3.3M),在负极硬碳表面形成的则主要为无机成分的SEI膜,因此SEI膜的热稳定性得到了极大的提高。

在上面谈了那么多关于安全的问题,最终还是要回归到电解液的本质上来,也就是它的电化学性能。以往的钠离子电池电解液因为无法在硬碳表面形成稳定的SEI膜,因此导致循环性能较差,这种情况在电解液中加入阻燃剂后将更加严重(阻燃剂会影响SEI的形成),但是Jianhui Wang研发的这款高浓度的NaFSA/TMP电解液却保持了优异的循环性能。从下图可以看到,在C/5倍率下循环1200次后,电池的容量没有明显的下降(容量保持率95%)。

Jianhui Wang还将上述的研究成果应用在了锂离子电池上,浓度达到5.3M的LiFSA/TMP电解液在锂离子电池中获得了非常稳定的循环性能(如下图所示),C/5循环1000次,电池的容量几乎没有发生明显的改变(容量保持率99.6%),同时该电解液还能够应用在5V LiNi0.5Mn1.5O4电池中,C/5循环100次容量保持率99.2%,说明该电解液具有良好的电化学稳定性。

从上面的介绍中我们看出,日本科研工作者研发的这款电解液的关键在于两点:1)高浓度的LiFSI或NaFSA电解液,这一点是极为关键的,当电解液的浓度较低时,无法在负极表面形成连续、稳定的SEI膜,会导致电解液持续发生分解,严重影响电化学性能。在较高的浓度下,负极表面能够形成稳定性非常好的全无机SEI膜,极大的增强了电解液的稳定性;2)阻燃剂TMP的加入,阻燃剂TMP的加入很好的提高了电解液在高温下的热稳定性,改善了电池的安全性。

撰稿:凭栏眺

作者:新能源Leader

[责任编辑:袁彧]

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