二次电池广泛应用于手机、笔记本电脑等便携式设备和新能源汽车等，开发高性能、低成本、高安全性的二次电池迫在眉睫。电池安全是便携式设备及整个新能源汽车行业的“生命线”，电解液是电池的“血液”，影响电池的比容量、工作温度范围、循环寿命、安全性能，但目前开发具有宽温度适用范围以及高安全性电解液仍存在巨大挑战。
近日，我校物理与微电子科学学院鲁兵安教授在高安全电解液的设计与匹配研究中取得新进展。研究人员设计将一种常被用作环保低成本高热导率的灭火剂（Novec 7300流体，缩写为MME）引入二次电池电解液中，通过其与另外两种高低介电常数溶剂的配合，成功构建了阻燃的电解液，具备宽温特性，能够在零下75至零上80摄氏度范围内运行。这种电解液的长循环性可以简单的通过电解质盐的替换被拓展到不同电池体系，包括钾离子电池和锂离子电池。
图a 电解液设计策略，Novec 7300引入并与适当的介电常数分散剂成功配位，电解液能够在零下75至零上80摄氏度范围内运行。
图b 绝热加速量热仪分别对两种（左：传统醚基，右：新型Novec 7300基）电解液与嵌钾石墨混合物的测试结果，插图为两种电解液对烛火的喷射效果。
研究人员发现Novec 7300分子富含低极性C–F键，通过与两种高低介电常数溶剂的配合（图a），能够分别溶解钾/锂两种电解质盐作为电解液使用，具备宽温度特性，并取得不错的电化学性能。其中，使用Novec 7300电解液后，钾||钾对称电池的循环寿命能够延长到8,800小时（循环时间超过一年），钾||石墨电池实现2400次稳定循环，容量保持率达93%，这主要得益于Novec 7300的引入调整了电解液溶剂化结构，有助于富含无机成分的钝化层的形成。在Novec 7300电解液与磷酸铁锂电池匹配之后，实验发现其寿命得以从传统的150次提升到5,400次循环。在零下75与零上80摄氏度的条件下，这种磷酸铁锂电池均能够运行超过190次。此外，研究人员通过绝热加速量热仪测试发现，引入Novec 7300后的电解液相比引入前具备更高的热失控温度（图b），说明其具备更高的安全性高。
相关研究成果以“Safe electrolyte for long-cycling alkali-ion batteries”为题发表在《Nature Sustainability》上，湖南大学物理与微电子科学学院为第一单位，博士研究生易先辉为第一作者，鲁兵安教授为唯一通讯作者。该工作得到湖南大学傅虹玮博士后、克莱姆森大学Apparao M. Rao教授、中南大学周江教授、以及中山大学王成新教授等人的支持，得到来自国家自然科学基金等项目的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41893-024-01275-0
来源：物电院
责任编辑：文亦佳
