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


近年来电池燃烧爆炸事情时常爆发。变成这类事故的启事与目前广泛运用的可充电电池的电解液相关。因为电解液一般用易燃的液态有机物(如酯类)做溶剂,一朝电池内部短道或热失控,便可变成电池膨胀决裂、引燃电解液、导致起火以致爆炸。跟着可充电电池的能量密度逐渐晋升,电池的平安隐患也愈发告急。于是,开辟平平稳定的新型电解液已成为研发大范围运用的可充电电池的主要一环。


日前,美国斯坦福大学戴宏杰课题组高平安钠离子电池电解液研发范畴取得打破。钠离子电池义务原理与锂离子电池相似,但到场电能存储的离子是品貌远高于锂离子的钠离子。作家们发明将氯化铝、氯化钠和氯化1-乙基-3-甲基咪唑([EMIm]Cl)按照必定比例混淆,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、不可燃性及能钠金属负极外面变成稳定固态电解质界面膜(SEI)的离子液体电解液。所制备电池不光储能功用轶群,而且稳定性和平安性优秀。相关义务已发外《自然·通信》。


该离子液体电解液主要由无机和有机氯化物构成。作家们起首将AlCl3和[EMIm]Cl以1.5:1(物质的量之比)混淆,变成室温离子液体。然后到场过量NaCl将此中的Al2Cl7-(AlCl4-二聚体)转化为AlCl4-。着末添加1 wt% EtAlCl2和4 wt% [EMIm]FSI变成最终成品。电解液阳离子为Na+和EMIm+,阴离子包罗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,跨过文献报道的用于钠离子电池离子液体电解液3-10倍。另外,该电解液热稳定性优异,加热到400 °C仍未呈现分明质料衰减,而古板的酯类电解液132 °C下质料即爆发大幅低沉,230 °C时质料仅余~15%(图1b)。精良的热稳定性使得基于氯铝酸盐的离子液体气氛中不行引燃,从而晋升了含有该电解液电池的平安性(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企图。(b)Buffered Na-Cl-IL与古板酯基电解液热重弧线;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与古板酯基电解液的电池隔膜气氛中燃烧状况比照。


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,实行拼装的钠金属电池中外现出优异的功用。应用金属钠负极、负载Na3V2(PO4)2F3(NVPF)纳米颗粒的还原氧化石墨烯(rGO)正极拼装的钠离子电池平均放电电压可达3.75 V(图2a),库仑服从接近100%,外明电池充放电进程近乎可逆,是包管电池长寿命的要害。另外,该电池活性物质载量、电池电压、功率密度和充放电轮回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)。300 mA/g电流密度下,电池延续充放电700次后,放电容量仍可保持90%以上,平均库仑服从达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功用(正极:NVPF/rGO,负极:金属钠):(a)恒电流充放电弧线。(b)各项功用比照;(c)充放电稳定性。CE:库仑服从。


为进一步探究电池稳定功用的机理,作家们体系外征了钠金属负极外面SEI的因素。X射线光电子能谱(XPS,图3a-d)、高区分冷冻透射电镜(HR-Cryo-TEM,图e-g)和元素分布(图3h)配合标清楚SEI主要因素为NaF、Al2O3、NaCl、Na2SO4和Na2O。此中化学惰性的NaF、Al2O3和NaCl是完成电池长寿命的主要组分。



图3. (a-d)XPS谱图:(a)O 1s, (b) F 1s, (c) Al 2p和(d)Cl 2p;(e-g)高区分冷冻透射电镜图像:(e)钠金属负极外面、(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。


本义务报道的氯铝酸盐基离子液体电解液代外了一类兼具高离子电导率和高平安性的新型电解液体系。该体系期望拓展至其他可充电离子电池范畴,为制备功用优异且平安牢靠的电池添砖加瓦。


稿件根源: 高分子科学前沿
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