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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》
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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

新聞網訊(通訊員何劍超72日,國際權威期刊Nature Energy(《自然?能源》,影響因子46)在線發表了化學與分子科學學院曹余良教授團隊關于非燃磷酸酯電解液在锂離子電池應用領域中的研究成果。

高摩爾比磷酸酯電解液結構特點和不燃性

論文題爲Non-flammable electrolytes with high salt-to-solvent ratios for Li-ion and Li-metal batteries(《高摩爾比非燃電解液用于锂離子和锂金屬二次電池》,DOI: 10.1038/s41560-018-0196-y),曹余良、武漢理工大學肖利芬和美國西北太平洋國家實驗室劉俊爲共同通訊作者,我校化學與分子科學學院博士生曾子琪爲第一作者,其他作者還包括化學與分子科學學院江曉宇博士。該研究得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金委的支持。

锂離子電池安全性問題一直制約著锂二次電池向電動汽車和大規模儲能領域發展,而影響锂二次電池安全性的主要因素是易燃有機電解液的使用。傳統的做法是在電解液中添加阻燃劑,曹余良課題組則另辟蹊徑,長期致力于非燃磷酸酯溶劑完全替換目前可燃體系,試圖從根本上解決這一問題。然而,小分子磷酸酯類化合物在石墨和金屬锂負極表面會發生強烈的還原分解,無法形成完整的鈍化膜,因此難以實現锂離子的可逆脫嵌,限制了其應用發展。

針對上述問題,該團隊通過將鹽與溶劑的摩爾比率(MR)控制在溶劑電化學穩定阈值內(>12),優選出了氟磺酰亞胺锂(LiFSI)與磷酸三乙酯(TEP)摩爾比爲12的電解液。該體系不僅具有低的摩爾濃度(~2.2 mol/L)、較低粘度、較高電導率。而且,值得注意的是,在這種高摩爾比(鹽與溶劑比)體系中,大多數TEP分子與Li+絡合,幾乎無自由的溶劑分子存在,造成溶劑還原電位負移,抑制了溶劑分子在負極表面的不可逆分解,實現石墨和金屬锂負極的可逆電化學循環。

此外,包含钴酸锂正極、石墨負極和這種非燃電解液的18650軟包實際電池表現出高的首周庫侖效率和放電容量以及穩定的循環性能,同時該18650電池均通過了針刺、短路、重物沖擊等安全性測試,表現出了優異的安全性能。

該工作提出了高的鹽與溶劑的摩爾比是穩定溶劑電化學性質的關鍵,以此實現了高摩爾比且低濃度鹽的非燃電解液體系。這種非燃電解液在保證優異電化學性能和安全性的基礎上,進一步降低了電解液的粘度和成本,這對後續的研究(如溶劑分子的結構設計)和商業化開發具有重要理論和技術指導意義,可進一步促進電動汽車安全性锂離子電池的應用開發。

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