鈉離子電池實現(xiàn)無熱失控 | 進展

安全性是電池技術發(fā)展中最為重要的需求，保證電池在熱濫用下不發(fā)生熱失控是其實際應用中的首要前提。近年來，以磷酸酯為代表的阻燃電解液引起自身的不可燃特性在電池安全中扮演了關鍵角色，也成為高安全鋰/鈉離子電池研究的熱點之一。然而，單純的不可燃特性并不能保證電池不發(fā)生熱失控，其關鍵在于如何解決高溫下正負極界面副反應和正負極之間的串擾問題。目前，阻燃電解液大多需要借助高鹽/局部高鹽或氟化體系，成本較高，且與硬碳負極兼容性較差，極大限制了其實際應用。而特別對于鈉離子電池而言，絕大多數(shù)研究主要聚焦于驗證阻燃電解液的不可燃特性本身，缺乏在Ah級電芯中的電化學和熱安全實證。因此，開發(fā)兼具低成本與界面穩(wěn)定性的阻燃電解液，在安時級電芯中保證優(yōu)異電化學性能的同時實現(xiàn)無熱失控運行，是高安全鈉離子電池發(fā)展過程中亟待攻克的關鍵挑戰(zhàn)之一。

基于上述挑戰(zhàn)，近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心清潔能源重點實驗室E01組胡勇勝研究員、陸雅翔研究員、謝飛副研究員團隊聯(lián)合吉林大學毛慧燦教授提出了可聚合阻燃電解液新體系（Polymerizable non-flammable electrolyte）（Polynonflyte, or PNE）。基于四氟硼酸鈉和六氟磷酸鈉的雙鹽體系，優(yōu)化了溶劑化結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了含B正極界面（CEI）和富PO??負極界面（SEI），尤其解決了與硬碳負極的兼容性難題。在保持優(yōu)異電化學性能的基礎上，基于磷酸三乙酯溶劑的高溫吸熱和“熱致自聚合”特性，可以在電池異常升溫過程中實現(xiàn)快速固化，從而阻斷正負極間串擾，消除熱失控反應。

基于此策略，團隊在3.5 Ah級鈉離子電芯中進行了熱安全驗證，電芯在100% SOC下可順利通過針刺試驗，全程不冒煙、不起火、不爆炸。在加速量熱（ARC）和熱濫用實驗中，300℃下不發(fā)生熱失控。同時，基于PNE電解液的鈉離子電芯兼具優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性、寬溫域（-40℃到60℃）和高壓穩(wěn)定性（>4.3V），為高安全鈉離子電池的發(fā)展提供了重要基礎。

該工作成果以“Thermal runaway-free ampere-hour-level Na-ion battery via polymerizable non-flammable electrolyte”為題發(fā)表在《Nature Energy》上。張姣副研究員為本文第一作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃，國家自然科學基金，中國科學院儲能專項，中國科學院前瞻戰(zhàn)略先導科技專項，京津冀自然科學基金合作專項，中國科學院國際合作伙伴計劃和第十屆中國科協(xié)青年人才托舉工程等項目的支持。

圖：基于PNE的Ah級鈉離子電池安全性測試

編輯：Zoey

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