鋰離子電池在小型電子產(chǎn)品，電動工具和大型電源套件（插電式）混合電力運輸和電網(wǎng)系統(tǒng)中可謂無處不在。鋰／鈉電池嚴重的安全問題阻礙了其大規(guī)模使用。傳統(tǒng)的電解質(zhì)具有高度的易燃性和揮發(fā)性，可能引起災(zāi)難性的火災(zāi)或爆炸。將阻燃劑溶劑引入電解質(zhì)中通常會因為這些溶劑不適當?shù)剽g化碳質(zhì)陽極導(dǎo)致電池性能的降低。

【成果簡介】

近日，日本東京大學Atsuo Yamada（通訊作者）團隊報道了一種濃縮鹽電解質(zhì)設(shè)計，通過在陽極上自發(fā)形成堅固的無機鈍化膜來解決上述的困境。實驗證明使用鹽和普通阻燃溶劑（磷酸三甲酯）的濃縮電解質(zhì)，不含任何添加劑或軟粘合劑，使硬碳和石墨陽極的穩(wěn)定充放電循環(huán)超過1，000次循環(huán)（超過一年 ），這種性能與常規(guī)可燃碳酸鹽電解質(zhì)的性能相當或更為優(yōu)越。濃縮電解液的非常規(guī)鈍化特性與其滅火性能相結(jié)合，有助于開發(fā)安全，持久的電池，從而開發(fā)出更高能量密度的電池。相關(guān)成果以題為“Fire－extinguishing organic electrolytes for safe batteries”發(fā)表在了Nature Energy上。

近日，美國化學會期刊（JACS）在線發(fā)表了由美國賓州州立大學（Pennsylvania State University）Donghai Wang教授（通訊作者）、Tom Mallouk教授及Yue Gao（第一作者）等在調(diào)控鋰金屬SEI化學結(jié)構(gòu)和抑制鋰枝晶生長的相關(guān)領(lǐng)域取得了重要突破的一項工作。他們的研究成果以題為“Interfacial Chemistry Regulation via a Skin－Grafting Strategy Enables High－Performance Lithium－Metal Batteries”的論文發(fā)表。

在本文中，作者們報道了一種在鋰金屬表面上覆蓋一層保護皮膚的策略以穩(wěn)定鋰金屬／電解液界面以及調(diào)控SEI化學結(jié)構(gòu)和成分。這層保護性皮膚由是一種具有電化學活性的高分子（由聚多環(huán)長鏈組成骨架，其上嫁接環(huán)醚分支，圖1）組成。高分子中的環(huán)醚部分與鋰金屬具有強親和性，可保證薄膜在鋰金屬表面穩(wěn)定附著。同時該部分參與形成SEI膜，提升SEI膜的穩(wěn)定性。長鏈骨架使保護皮膚變得堅韌，防止鋰枝晶的生成及穿刺。實驗結(jié)果表明，具有高分子皮膚保護的鋰金屬負極在充放電循環(huán)過程中未觀察到枝晶生成。該修飾后的鋰負極與磷酸鐵鋰等正極材料，碳酸乙烯酯等酯類電解質(zhì)組合可制造高性能、高穩(wěn)定性的4 V鋰金屬全電池。這種基于鋰金屬負極表面的保護策略為制備多種具有功能結(jié)構(gòu)的保護皮膚以提升鋰金屬負極穩(wěn)定性的策略提供了廣闊的前景。此外，保護皮膚對SEI結(jié)構(gòu)、成分的影響對于SEI理論研究亦有參考價值。

【小結(jié)】

該團隊基于濃縮鹽電解質(zhì)概念開發(fā)了用于可再充電電池的滅火有機電解質(zhì)。分別使用濃縮的NaFSA／TMP和LiFSA／TMP電解質(zhì)作為鈉離子和鋰離子電池的模型系統(tǒng)，證明它們不僅是一種強力的滅火劑，而且還可以穩(wěn)定地進行硬質(zhì)的充放電循環(huán)，且降解可忽略不計，這與常規(guī)可燃碳酸鹽電解質(zhì)的性能相當或更好。該設(shè)計策略極其簡單和靈活，可以擴展到不易燃或阻燃溶劑和堿性鹽的各種組合，為安全和高性能可充電電池的開發(fā)提供了新途徑。