研究人员开发非易燃电解质 用盐来防止锂离子电池起火

在电动汽车等领域，可充电锂离子电池得到了广泛应用。然而，这些电池在温度过高时可能停止工作并着火。在一定程度上，这是因为电池内部的电解质具有易燃性。据外媒报道，斯坦福大学（Stanford University）与SLAC国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory）的研究人员共同开发了一种不易燃的锂离子电池电解质。使用这种电解质的电池在高温下仍能继续工作，而不会起火。

（图片来源：SLAC实验室）

传统的锂离子电池电解质由溶解在液态有机溶剂（如乙醚或碳酸盐）中的锂盐制成。这种溶剂能够促进锂离子传输，但也存在一定的起火风险。过去30年，研究人员开发了多种不易燃电解质，例如聚合物电解质，使用聚合物基质而不是经典的盐溶剂溶液来传输离子。这些替代品虽然安全性较高，但不能像液体溶剂那样有效地传输离子，无法达到传统电解质的性能水平。

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该团队希望生产一种基于聚合物的电解质，能够同时提供安全性和性能。因此，斯坦福大学研究生Rachel Z Huang决定在一种聚合物基电解质中尽可能多地加入LiFSI锂盐。这种聚合物基电解质由斯坦福大学的博士后学者Jian-Cheng Lai设计和合成。

研究人员测试添加数量的极限。通常情况下，基于聚合物的电解质中盐的重量不超过50%。Huang将这一数字提高到了63%，由此创造了据称是有史以来含盐量最高的聚合物电解质之一。

与其他聚合物基电解质不同，这种电解质中还含有易燃溶剂分子。然而，在锂离子电池的测试过程中，这种被称为溶剂锚定不易燃电解质（SAFE）的整体电解质被证明在高温下不易燃。

SAFE起作用是因为溶剂和盐协同工作。在采用SAFE的电池中，溶剂分子有助于传导离子，其性能可与使用传统电解质的电池相媲美。但是，这种电池可以在77–212华氏度的温度范围内继续运行，而不像大多数锂离子电池那样在高温下容易退化。因为大量添加盐类，充当溶剂分子的锚，可防止其蒸发和着火。

研究人员表示，这一新发现为聚合物基电解质设计提出了一种新的思维方式。对于未来开发兼具高能量密度和安全性的电池，具有重要意义。

粘稠状电解质

聚合物基电解质可以是固体或液体。值得一提的是，SAFE中的溶剂和盐，可使其聚合物基体塑化，成为像传统电解质一样粘稠的液体。

这种粘稠的电解质可以兼容现有市售锂离子电池部件，不同于其他已有不易燃电解质。例如，固态陶瓷电解质必须使用特殊设计的电极，因此生产成本较高。Huang表示：“有了SAFE，无需更改任何制造设置。当然，如果以前的生产过程使用过SAFE，则需要优化电解质以适应生产线，但工作量比任何其他系统要少得多。”

SAFE可能应用于电动汽车等领域。在电动汽车中，如果多个锂离子电芯靠得太近，可能互相加热，最终导致过热起火。然而，如果在电动汽车的电池中使用像SAFE这样可在高温下保持稳定的电解质，就可以将电芯紧密地包装在一起，无需担心过热。除了降低火灾风险，这还可以减少冷却系统占用的空间，使电池拥有更多的空间。增加电池数量，可以提升整体能量密度，使车辆实现更长的单次充电行驶时间。