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清華劉凱/歐陽明高EnSM: 超分子阻燃電解液實現(xiàn)鋰離子電池安全穩(wěn)定循環(huán)

盡管鋰離子電池（LIBs）的能量密度不斷提高，但火災、爆炸等安全問題嚴重阻礙了其大規(guī)模應用。一般認為，其火災很大程度上源于易燃的液態(tài)碳酸酯溶劑，發(fā)展非燃/阻燃液態(tài)電解質是實現(xiàn)下一代安全鋰離子電池的有效策略。

在此，清華大學劉凱教授和歐陽明高院士等人仔細研究了熱濫用條件下電池火災的演變，發(fā)現(xiàn)電池內部產生的可燃氣體（H₂、CO等）引起的“噴射火”是火災危險的關鍵步驟，而其中重要性沒有得到足夠的重視。

考慮到傳統(tǒng)“氣態(tài)滅火劑”由于其全氟分子結構與電池電解液相容性差，作者合理設計并制備了一種新型“超分子阻燃”電解液（SFR），其中“氣態(tài)滅火劑”（PMP）和“SEI&CEI改進劑”（PFTP）分子通過分子間相互作用自組裝在一起。

圖1. 超分子阻燃添加劑的分子設計

該SFR電解液顯示出與碳酸鹽電解液的良好兼容性，可以顯著提高商業(yè)級質量負載下高容量鋰金屬和LiCoO₂電極的電化學性能。更重要的是，SFR電解液可以撲滅“噴射火”，成功抑制實用軟包電池的火災隱患。SFR電解液由于操作簡單、成本低以及與現(xiàn)有工業(yè)過程的良好兼容性，為大規(guī)模生產安全電池提供了更多可能性。

此外，SFR材料抑制“噴射火”的策略還可以擴展到多功能電解質的合理設計以實現(xiàn)安全穩(wěn)定的下一代電池。這項研究可能為開發(fā)用于LIB的新功能電解質提供一種新方法。

圖2. 基于碳酸鹽和SFR電解液的全軟包電池的阻燃性測試

Supramolecular “flame-retardant” electrolyte enables safe and stable cycling of lithium-ion batteries, Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.11.026

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