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新型离子液体电解液让钠离子电池更稳定、安全
发布时间:2019-08-05 15:02:27
关键词:动力电池 锂电池


近年来电池燃烧爆炸事件时常发生。造成这类事故的原因与目前广泛使用的可充电电池的电解液有关。由于电解液一般用易燃的液态有机物(如酯类)做溶剂,一旦电池内部短路或热失控,便可造成电池膨胀破裂、引燃电解液、导致起火甚至爆炸。随着可充电电池的能量密度逐步提升,电池的安全隐患也愈发严重。因此,开发安全稳定的新型电解液已成为研发大规模应用的可充电电池的重要一环。


日前,美国斯坦福大学戴宏杰课题组在高安全钠离子电池电解液研发领域取得突破。钠离子电池工作原理与锂离子电池类似,但参与电能存储的离子是丰度远高于锂离子的钠离子。作者们发现将氯化铝、氯化钠和氯化1-乙基-3-甲基咪唑([EMIm]Cl)按照一定比例混合,并添加少量二氯乙基铝(EtAlCl2)和1-乙基-3-甲基咪唑双氟磺酸亚胺([EMIm]FSI),可制成一种常温下呈液态,具有高导电性、不可燃性及能在钠金属负极表面形成稳定固态电解质界面膜(SEI)的离子液体电解液。所制备电池不仅储能性能出众,而且稳定性和安全性优良。相关工作已发表在《自然·通讯》。


该离子液体电解液主要由无机和有机氯化物组成。作者们首先将AlCl3和[EMIm]Cl以1。5:1(物质的量之比)混合,形成室温离子液体。然后加入过量NaCl将其中的Al2Cl7-(AlCl4-二聚体)转化为AlCl4-。最后添加1 wt% EtAlCl2和4 wt% [EMIm]FSI形成最终成品。电解液阳离子为Na+和EMIm+,阴离子包含AlCl4-,Al2Cl7-和FSI-(图1a)。该离子液体电解液室温下离子电导率达9。2 mS/cm,高出文献报道的用于钠离子电池离子液体电解液3-10倍。此外,该电解液热稳定性优异,加热到400 °C仍未出现明显质量衰减,而传统的酯类电解液在132 °C下质量即发生大幅降低,230 °C时质量仅余~15%(图1b)。良好的热稳定性使得基于氯铝酸盐的离子液体在空气中不能引燃,从而提升了含有该电解液电池的安全性(图1c)。



图1. (a)基于氯铝酸盐基离子液体(BufferedNa-Cl-IL)电解液的钠离子电池示意图。(b)Buffered Na-Cl-IL与传统酯基电解液热重曲线;EC:碳酸乙烯酯,DEC:碳酸二乙酯,FEC:氟代碳酸乙烯酯。(c)浸润有Buffered Na-Cl-IL与传统酯基电解液的电池隔膜在空气中燃烧情况对比。


基于氯铝酸盐的离子液体具有高达4。56 V的稳定电位窗口,在实际组装的钠金属电池中表现出优异的性能。利用金属钠负极、负载Na3V2(PO4)2F3(NVPF)纳米颗粒的还原氧化石墨烯(rGO)正极组装的钠离子电池平均放电电压可达3.75 V(图2a),库仑效率接近100%,表明电池充放电过程近乎可逆,是保证电池长寿命的关键。此外,该电池在活性物质载量、电池电压、功率密度和充放电循环稳定性方面优于先前报道的基于离子液体电解液的钠离子电池,后两者尤甚(图2b)。在300 mA/g电流密度下,电池在连续充放电700次后,放电容量仍可保持在90%以上,平均库仑效率达98。5%(图2c)。



图2。 基于氯铝酸盐的离子液体(BufferedNa-Cl-IL)电解液的钠离子电池的电化学性能(正极:NVPF/rGO,负极:金属钠):(a)恒电流充放电曲线。(b)各项性能对比;(c)充放电稳定性。CE:库仑效率。


为进一步探究电池稳定性能的机理,作者们系统表征了钠金属负极表面SEI的成分。X射线光电子能谱(XPS,图3a-d)、高分辨冷冻透射电镜(HR-Cryo-TEM,图e-g)和元素分布(图3h)共同证明了SEI主要成分为NaF、Al2O3、NaCl、Na2SO4和Na2O。其中化学惰性的NaF、Al2O3和NaCl是实现电池长寿命的重要组分。



图3. (a-d)XPS谱图:(a)O 1s, (b) F 1s, (c) Al 2p和(d)Cl 2p;(e-g)高分辨冷冻透射电镜图像:(e)钠金属负极表面、(f)Al2O3晶体区域与(g)NaCl晶体区域。(h)各元素分布图。HAADF:高角环形暗场像。


本工作报道的氯铝酸盐基离子液体电解液代表了一类兼具高离子电导率和高安全性的新型电解液体系。该体系有望拓展至其他可充电离子电池领域,为制备性能优异且安全可靠的电池添砖加瓦。


稿件来源: 高分子科学前沿
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