近日,中國科學院物理研究所、中科海鈉胡勇勝研究員團隊提出了一種可聚合阻燃電解液體系(Polymerizable non-flammable electrolyte)(Polynonflyte, or PNE)。
團隊在3.5Ah級鋼殼圓柱鈉離子電芯中實現(xiàn)300℃高溫下不發(fā)生熱失控,順利通過針刺試驗,電芯不冒煙、不起火、不爆炸,成功實現(xiàn)安時級鈉離子電池無熱失控!
該研究以“Thermal runaway-free ampere-hour-level Na-ion battery via polymerizable non-flammable electrolyte”為題發(fā)表于《Nature Energy》。
安全性是電池技術發(fā)展中最為重要的需求,保證電池在熱濫用下不發(fā)生熱失控是其實際應用中的首要前提。近年來,以磷酸酯為代表的阻燃電解液引起自身的不可燃特性在電池安全中扮演了關鍵角色,也成為高安全鋰/鈉離子電池研究的熱點之一。然而,單純的不可燃特性并不能保證電池不發(fā)生熱失控,其關鍵在于如何解決高溫下正負極界面副反應和正負極之間的串擾問題。
目前,阻燃電解液大多需要借助高鹽/局部高鹽或氟化體系,成本較高,且與硬碳負極兼容性較差,極大限制了其實際應用。特別對于鈉離子電池而言,絕大多數(shù)研究主要聚焦于驗證阻燃電解液的不可燃特性本身,缺乏在Ah級電芯中的電化學和熱安全實證。因此,開發(fā)兼具低成本與界面穩(wěn)定性的阻燃電解液,在安時級電芯中保證優(yōu)異電化學性能的同時實現(xiàn)無熱失控運行,是高安全鈉離子電池發(fā)展過程中亟待攻克的關鍵挑戰(zhàn)之一。
基于上述挑戰(zhàn),胡勇勝研究員團隊利用NaBF4為主鹽,NaPF6為輔助界面調控劑構建雙鹽體系,解決了硬碳負極兼容難題,優(yōu)化了電極-電解液界面;同時,基于磷酸三乙酯(TEP),在不可燃的基礎上實現(xiàn)熱致聚合,在高溫下可快速固化形成隔斷層,屏蔽正負極間的機械/化學串擾,徹底阻斷電池熱失控反應,成功實現(xiàn)安時級鈉離子電池無熱失控。該電解液還展示了優(yōu)異的電化學性能,即使在4.3V、211Wh/kg(基于電芯重量計算)的高電壓、高比能Ah級軟包電芯中依然保持穩(wěn)定運行并通過針刺試驗。
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