美国SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员为锂离子电池开发了一种不易燃的电解质,这种电解质可以使设备在高温下继续工作而不会起火。
到目前为止,锂离子电池中使用的易燃电解液已经导致一些电池在温度升高过高时停止工作并起火。
其原因是常规电解质由溶于液体有机溶剂如乙醚或碳酸盐中的锂盐制成。虽然这种溶剂通过帮助移动锂离子来提高电池性能,但它也是一种潜在的点火剂。
电池在运行时产生热量。如果电池有穿孔或缺陷,它会迅速升温。在60℃以上的温度下,电解液中的小分子溶剂开始蒸发,从液体变成气体,并像气球一样给电池充气,直到气体着火,整个东西都燃烧起来。
在过去的30年中,研究人员开发了不可燃电解质,如聚合物电解质,这种电解质使用聚合物基质代替传统的盐溶剂溶液来移动离子。然而,这些更安全的替代品不像液体溶剂那样有效地移动离子,因此它们的性能还没有达到传统电解质的水平。
为了设计研发一种既能提供安全性又能提供性能的聚合物电解质,研究小组决定尽可能多地将一种叫作LiFSI的锂盐添加到他们设计和合成的聚合物基电解质中。
研究人员说:“我只是想看看我能增加多少,测试一下极限。”通常,聚合物基电解质重量的50%以下是盐。黄将这个数字提高到63%,创造了有史以来最咸的聚合物电解质之一。
与其他聚合物基电解质不同,这种电解质还含有易燃的溶剂分子。然而,在锂离子电池的测试中,被称为溶剂锚定不可燃电解质(SAFE)的整体电解质在高温下被证明是不易燃的。
SAFE之所以有效,是因为溶剂和盐协同作用。溶剂分子有助于传导离子,其性能与含有常规电解质的电池相当。但是,含有SAFE的电池不会像大多数锂离子电池那样在高温下失效,而是在25-100℃的温度下继续工作。
同时,大量添加的盐充当溶剂分子的锚,防止它们蒸发和着火。
聚合物基电解质可以是固体或液体。重要的是,SAFE中的溶剂和盐会使其聚合物基质增塑,使其成为粘稠液体,就像传统电解质一样。
根据研究人员的说法,与已经出现的其他不易燃电解质不同,粘性电解质可以适用于现有的商用锂离子电池部件。
研究人员认为,SAFE的一个应用可能是在电动汽车上。
研究人员解释说,如果电动汽车中的多个锂离子电池靠得太近,它们会相互加热,最终可能导致过热和火灾。但是,如果一辆电动汽车的电池充满了SAFE这样的电解质,在高温下稳定,那么它的电池就可以紧密地装在一起,而不用担心过热。
除了降低火灾风险外,这意味着冷却系统占用的空间更小,电池空间更大。更多的电池会增加整体能量密度,这意味着汽车在充电间隔时间可以更长。
研究人员说:“所以这不仅仅是一种安全效益,这种电解质还可以让你装更多的电池。”