InfoMat: 一种高压稳定的阻燃型锂离子电解液设计策略

层状锂锰氧(LRMO)正极材料因具有高的比容量(> 250 mAh/g)和电势电位, 当和硅负极匹配的时候,可以构造出开路电压为5V的全电池,且释放高达500 Wh/kg的理论容量。但目前的碳酸酯电解液通常具有较差的阳极稳定性,在高压下容易被氧化,极大限制了这类材料的商业进展。为提高电解液的电化学窗口,通常具有两种策略:1、高度浓缩电解液; 2、氟化溶剂分子作为电解液添加剂。但其中高度浓缩的电解液由于盐浓度远大于1M,使得在使用中电解液的粘稠度急剧上升,大大降低了电池的倍率性能,进而阻碍了这类电解液的商业化进展。相比之下,由于氟原子高的电子受体(电负性)和低的极化度,使得氟化有机分子具有高氧化稳定性、低熔点和高闪点的优点,因此氟化溶剂分子被目前认为是一种最理想的策略。特别是以磷酸盐为基础的氟化溶剂分子,这类溶剂分子可以借助磷酸盐来捕获可燃性自由基,如氧自由基等,实现电解液的阻燃性。

武汉大学化学与分子科学学院曹余良教授团队在Wiley出版集团新推出的信息材料领域高影响力期刊InfoMat上发表的题为“Enabling an intrinsically safe and high-energy-density 4.5 V-class Li-ion battery with nonflammable electrolyte”的文章中,报道了一种以磷酸酯为基础的三(2,2,2-三氟乙基)亚磷酸酯(TFEP)来完全替代酯类电解液的一种新型策略,证实了在完全取代酯类溶剂的情况下,仍然能够实现稳定循环的高压锂离子电池,为高压阻燃性电解液的设计提供了一种新方法和策略。

三(2,2,2-三氟乙基)亚磷酸酯(TFEP)是一种高度氟化的磷酸盐,沸点高达186℃,是目前商业电解液的2-3倍,完全避免了目前电解液易挥发的缺点。同时由于磷酸盐和氟原子的存在,这种电解液可以基本满足目前对电解液的需求,即不可燃烧、热稳定和较高的离子电导率。当采用5 voL%的FEC和5 voL% VC作为添加剂的时候,以硅为负极,锂锰氧为正极的全电池测试中,可实现在200次循环后,容量为72%,平均库伦效率维持在99.7%的高性能锂离子电池。除此之外,这种高度氟化的电解液由于采用较低盐浓度(0.8 M LiPF6)可以有效降低高度浓缩电解液带来的盐成本问题,为后续设计多功能磷化溶剂提供了一种崭新的思路。

该工作发表在InfoMat(DOI: 10.1002/inf2.12089)上。