清华刘凯/欧阳明高EnSM: 超分子阻燃电解液实现锂离子电池安全稳定循环

尽管锂离子电池（LIBs）的能量密度不断提高，但火灾、爆炸等安全问题严重阻碍了其大规模应用。一般认为，其火灾很大程度上源于易燃的液态碳酸酯溶剂，发展非燃/阻燃液态电解质是实现下一代安全锂离子电池的有效策略。

在此，清华大学刘凯教授和欧阳明高院士等人仔细研究了热滥用条件下电池火灾的演变，发现电池内部产生的可燃气体（H₂、CO等）引起的“喷射火”是火灾危险的关键步骤，而其中重要性没有得到足够的重视。

考虑到传统“气态灭火剂”由于其全氟分子结构与电池电解液相容性差，作者合理设计并制备了一种新型“超分子阻燃”电解液（SFR），其中“气态灭火剂”（PMP）和“SEI&CEI改进剂”（PFTP）分子通过分子间相互作用自组装在一起。

图1. 超分子阻燃添加剂的分子设计

该SFR电解液显示出与碳酸盐电解液的良好兼容性，可以显著提高商业级质量负载下高容量锂金属和LiCoO₂电极的电化学性能。更重要的是，SFR电解液可以扑灭“喷射火”，成功抑制实用软包电池的火灾隐患。SFR电解液由于操作简单、成本低以及与现有工业过程的良好兼容性，为大规模生产安全电池提供了更多可能性。

此外，SFR材料抑制“喷射火”的策略还可以扩展到多功能电解质的合理设计以实现安全稳定的下一代电池。这项研究可能为开发用于LIB的新功能电解质提供一种新方法。

图2. 基于碳酸盐和SFR电解液的全软包电池的阻燃性测试

Supramolecular “flame-retardant” electrolyte enables safe and stable cycling of lithium-ion batteries, Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.11.026

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