Rationell design av det multifunktionella elektrolytlösningsmedlet. De viktiga funktionerna högspänningstolerans (oxidationsstabilitet och SEI-bildning) och icke-antändbarhet tilldelas varje del av den molekylära strukturen. Kredit:Zheng et al.
I ljuset av den pågående övergången mot förnybar energiteknik och det växande antalet Internet of Things (IoT)-enheter, forskare över hela världen har försökt utveckla batterier som kan fungera mer effektivt och under längre tidsperioder. Litiumjonbatterier (LIB) är för närvarande den föredragna energilagringstekniken för bärbar elektronik, eftersom de innehåller organiska elektrolyter, som vanligtvis möjliggör höga driftspänningar och energitätheter.
Trots deras utbredda användning, att ytterligare öka prestandan hos befintliga LIB:er kan ha en betydande inverkan på deras säkerhet. Faktiskt, dessa batterier innehåller mycket flyktiga och brandfarliga organiska karbonater, som, om den antänds, kan orsaka betydande skada.
På senare år har forskare har gjort betydande ansträngningar för att övervinna dessa säkerhetsproblem, till exempel, genom att använda ytterligare ämnen eller genom att optimera de material som separerar batterikomponenter. Även om vissa av dessa strategier framgångsrikt minskade risken för att batteriet skulle fatta eld, så länge som LIB är gjorda med mycket brandfarliga elektrolyter, olyckor kan fortfarande inträffa.
I hopp om att bana väg för säkrare och bättre presterande LIB:er, forskare vid University of Tokyo har nyligen designat och syntetiserat en alternativ cyklisk fosfatbaserad elektrolyt som är icke brandfarlig. Deras elektrolyt, presenteras i en tidning publicerad i Naturenergi , möjliggör säker, mycket stabil drift och hög spänning, bättre än lösningsmedel som finns i de flesta befintliga LIB.
"Elektrolytlösningsmedlet för litiumjonbatterier (LIB) har varit oförändrat i nästan 30 år, " Prof. Atsuo Yamada, en av forskarna som utvecklade den nya elektrolyten, berättade för TechXplore. "Vi tycker därför att det borde finnas stort utrymme för att utveckla avancerade LIB, om vi hittar ett alternativt lösningsmedel. Med detta i åtanke, under ledning av prof. Makoto Gonokami, president för Tokyos universitet, vi inledde ett samarbete med prof. Eiichi Nakamura, som är en väletablerad forskare inom området organisk syntes, att designa ett nytt elektrolytlösningsmedel med målet att öka batteriets prestanda och säkerhet."
Yamada, Nakamura och deras kollegor designade sin cykliska fosfatbaserade elektrolyt genom att smälta samman de kemiska strukturerna hos det konventionella elektrolytlösningsmedlet EC och ett brandskyddsmedel. Detta ger fosfategenskaperna hos båda molekylerna, inklusive lösningsmedlets högspänningstolerans och brandskyddsmedlets icke-antändlighet, minimera risken för att LIB:s fatta eld.
När elektrolyten syntetiseras, forskarna fann att den mest effektiva formeln innehöll 0,95 M LiN (SO 2 F) 2 i TFEP/2, 2, 2-trifluoretylmetylkarbonat. Denna specifika komposition möjliggjorde syntesen av en elektrolyt med anmärkningsvärd icke-antändlighet och en självsläckningstid på noll, samt stabil drift av grafitanoder och högspännings LiNi 0,5 Mn 1.5 O 4 katoder.
"Oväntat, det nya elektrolytlösningsmedlet kan öka batterispänningen från nuvarande 3,8 V till 4,6 V och även förbättra batteriets livslängd, " Prof. Yamada sa. "Vi blev förvånade över att se att det designade lösningsmedlet verkligen visade både högspänningstolerans och brandhämmande förmåga, som vi förväntade oss av dess kemiska struktur. Viktigt, detta är det första fallet att en sådan rationell design av kemiska strukturer lyckades med batterielektrolyter."
Yamada, Nakamura, och deras kollegor är bland de första att hitta ett alternativt elektrolytlösningsmedel som kan öka säkerheten för LIB och samtidigt förbättra deras prestanda. I framtiden, deras cykliska fosfatbaserade elektrolyt skulle kunna användas för att skapa säkra och högeffektiva batterier för ett brett utbud av elektroniska enheter.
"Vi hoppas att vårt arbete kommer att stimulera många forskare att designa och utveckla en mängd nya material för bättre batterier, "Vi planerar nu att fortsätta arbeta med detta nya elektrolytlösningsmedel för kommersiella batteriapplikationer och utveckla nya multifunktionella batterimaterial baserat på vår designstrategi."
© 2020 Science X Network
