導讀
二次電池廣泛應用於手機、膝上型電腦等行動式裝置和新能源汽車等，開發高效能、低成本、高安全性的二次電池迫在眉睫。電池安全是行動式裝置及整個新能源汽車行業的“生命線”，電解液是電池的“血液”，影響電池的比容量、工作溫度範圍、迴圈壽命、安全效能，但目前開發具有寬溫度適用範圍以及高安全性電解液仍存在巨大挑戰。
近日，湖南大學物理與微電子科學學院魯兵安教授在高安全電解液的設計與匹配研究中取得新進展。研究人員設計將一種常被用作環保低成本高熱導率的滅火劑（Novec 7300流體，縮寫為MME）引入二次電池電解液中，透過其與另外兩種高低介電常數溶劑的配合，成功構建了阻燃的電解液，具備寬溫特性，能夠在零下75至零上80攝氏度範圍內執行。這種電解液的長迴圈性可以簡單的透過電解質鹽的替換被拓展到不同電池體系，包括鉀離子電池和鋰離子電池。
圖a 電解液設計策略，Novec 7300引入並與適當的介電常數分散劑成功配位，電解液能夠在零下75至零上80攝氏度範圍內執行。
圖b 絕熱加速量熱儀分別對兩種（左：傳統醚基，右：新型Novec 7300基）電解液與嵌鉀石墨混合物的測試結果，插圖為兩種電解液對燭火的噴射效果。
研究人員發現Novec 7300分子富含低極性C–F鍵，透過與兩種高低介電常數溶劑的配合（圖a），能夠分別溶解鉀/鋰兩種電解質鹽作為電解液使用，具備寬溫度特性，並取得不錯的電化學效能。其中，使用Novec 7300電解液後，鉀||鉀對稱電池的迴圈壽命能夠延長到8,800小時（迴圈時間超過一年），鉀||石墨電池實現2400次穩定迴圈，容量保持率達93%，這主要得益於Novec 7300的引入調整了電解液溶劑化結構，有助於富含無機成分的鈍化層的形成。在Novec 7300電解液與磷酸鐵鋰電池匹配之後，實驗發現其壽命得以從傳統的150次提升到5,400次迴圈。在零下75與零上80攝氏度的條件下，這種磷酸鐵鋰電池均能夠執行超過190次。此外，研究人員透過絕熱加速量熱儀測試發現，引入Novec 7300後的電解液相比引入前具備更高的熱失控溫度（圖b），說明其具備更高的安全性高。
相關研究成果以“Safe electrolyte for long-cycling alkali-ion batteries”為題發表在《Nature Sustainability》上，湖南大學物理與微電子科學學院為第一單位，博士研究生易先輝為第一作者，魯兵安教授為唯一通訊作者。該工作得到湖南大學傅虹瑋博士後、克萊姆森大學Apparao M. Rao教授、中南大學周江教授、以及中山大學王成新教授等人的支援，得到來自國家自然科學基金等專案的資助。
論文連結： https://www.nature.com/articles/s41893-024-01275-0
來源：湖南大學
