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日本关于新型阻燃电解液的文章发表在著名期刊NatrueEnergy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)orLiN(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)orLiN(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JianhuiWang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JianhuiWang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。JianhuiWang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JianhuiWang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95%)。
JianhuiWang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5VLiNi0.5Mn1.5O4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。
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