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新型離子液體電解液讓鈉離子電池更穩定、安全
發布:Iron_MAN10   時間:2019/8/7 10:26:51   閱讀:254 
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近年來電池燃燒爆 炸事件時常發生。造成這類事故的原因與目前廣泛使用的可充電電池的電解液有關。由于電解液一般用易燃的液態有機物(如酯類)做溶劑,一旦電池內部短路或熱失控,便可造成電池膨脹破裂、引燃電解液、導致起 火甚至爆 炸。隨著可充電電池的能量密度逐步提升,電池的安全隱患也愈發嚴重。因此,開發安全穩定的新型電解液已成為研發大規模應用的可充電電池的重要一環。
 

日前,美國斯坦福大學戴宏杰課題組在高安全鈉離子電池電解液研發領域取得突破。鈉離子電池工作原理與鋰離子電池類似,但參與電能存儲的離子是豐度遠高于鋰離子的鈉離子。作者們發現將氯化鋁、氯化鈉和氯化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鋁(EtAlCl2)和1-乙基-3-甲基咪唑雙氟磺酸亞胺([EMIm]FSI),可制成一種常溫下呈液態,具有高導電性、不可燃性及能在鈉金屬負極表面形成穩定固態電解質界面膜(SEI)的離子液體電解液。所制備電池不僅儲能性能出眾,而且穩定性和安全性優良。相關工作已發表在《自然·通訊》。

該離子液體電解液主要由無機和有機氯化物組成。作者們首先將AlCl3和[EMIm]Cl以1.5:1(物質的量之比)混合,形成室溫離子液體。然后加入過量NaCl將其中的Al2Cl7-(AlCl4-二聚體)轉化為AlCl4-。最后添加1 wt% EtAlCl2和4 wt% [EMIm]FSI形成最終成品。電解液陽離子為Na+和EMIm+,陰離子包含AlCl4-,Al2Cl7-和FSI-(圖1a)。該離子液體電解液室溫下離子電導率達9.2 mS/cm,高出文獻報道的用于鈉離子電池離子液體電解液3-10倍。此外,該電解液熱穩定性優異,加熱到400 °C仍未出現明顯質量衰減,而傳統的酯類電解液在132 °C下質量即發生大幅降低,230 °C時質量僅余~15%(圖1b)。良好的熱穩定性使得基于氯鋁酸鹽的離子液體在空氣中不能引燃,從而提升了含有該電解液電池的安全性(圖1c)。
 

圖1. (a)基于氯鋁酸鹽基離子液體(BufferedNa-Cl-IL)電解液的鈉離子電池示意圖。(b)Buffered Na-Cl-IL與傳統酯基電解液熱重曲線;EC:碳酸乙烯酯,DEC:碳酸二乙酯,FEC:氟代碳酸乙烯酯。(c)浸潤有Buffered Na-Cl-IL與傳統酯基電解液的電池隔膜在空氣中燃燒情況對比。

基于氯鋁酸鹽的離子液體具有高達4.56 V的穩定電位窗口,在實際組裝的鈉金屬電池中表現出優異的性能。利用金屬鈉負極、負載Na3V2(PO4)2F3(NVPF)納米顆粒的還原氧化石墨烯(rGO)正極組裝的鈉離子電池平均放電電壓可達3.75 V(圖2a),庫侖效率接近100%,表明電池充放電過程近乎可逆,是保證電池長壽命的關鍵。此外,該電池在活性物質載量、電池電壓、功率密度和充放電循環穩定性方面優于先前報道的基于離子液體電解液的鈉離子電池,后兩者尤甚(圖2b)。在300 mA/g電流密度下,電池在連續充放電700次后,放電容量仍可保持在90%以上,平均庫侖效率達98.5%(圖2c)。
 

圖2. 基于氯鋁酸鹽的離子液體(BufferedNa-Cl-IL)電解液的鈉離子電池的電化學性能(正極:NVPF/rGO,負極:金屬鈉):(a)恒電流充放電曲線。(b)各項性能對比;(c)充放電穩定性。CE:庫侖效率。

為進一步探究電池穩定性能的機理,作者們系統表征了鈉金屬負極表面SEI的成分。X射線光電子能譜(XPS,圖3a-d)、高分辨冷凍透射電鏡(HR-Cryo-TEM,圖e-g)和元素分布(圖3h)共同證明了SEI主要成分為NaF、Al2O3、NaCl 、Na2SO4和Na2O。其中化學惰性的NaF、Al2O3和NaCl是實現電池長壽命的重要組分。
 

圖3. (a-d)XPS譜圖:(a)O 1s, (b) F 1s, (c) Al 2p和(d)Cl 2p;(e-g)高分辨冷凍透射電鏡圖像:(e)鈉金屬負極表面、(f)Al2O3晶體區域與(g)NaCl晶體區域。(h)各元素分布圖。HAADF:高角環形暗場像。

本工作報道的氯鋁酸鹽基離子液體電解液代表了一類兼具高離子電導率和高安全性的新型電解液體系。該體系有望拓展至其他可充電離子電池領域,為制備性能優異且安全可靠的電池添磚加瓦。

全文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-11102-2


來源:高分子科學前沿 
 
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