En cyklisk fosfatbaseret elektrolyt til sikre og højspændings lithium-ion-batterier

I lyset af det igangværende skift mod vedvarende energiteknologier og det voksende antal Internet of Things (IoT) enheder, forskere verden over har forsøgt at udvikle batterier, der kan fungere mere effektivt og i længere perioder. Lithium-ion-batterier (LIB'er) er i øjeblikket den foretrukne energilagringsteknologi til bærbar elektronik, da de indeholder organiske elektrolytter, som typisk muliggør høje driftsspændinger og energitætheder.

På trods af deres udbredte brug, yderligere at øge ydeevnen af ​​eksisterende LIB'er kan have en betydelig indvirkning på deres sikkerhed. Faktisk, disse batterier indeholder meget flygtige og brandfarlige organiske karbonater, hvilken, hvis antændt, kan forårsage betydelig skade.

I de seneste år, forskere har gjort en betydelig indsats for at overvinde disse sikkerhedsproblemer, for eksempel, ved at bruge yderligere stoffer eller ved at optimere de materialer, der adskiller batterikomponenter. Mens nogle af disse strategier med held reducerede risikoen for, at batteriet antændte, så længe LIB'er er lavet med meget brandfarlige elektrolytter, der kan stadig ske ulykker.

I håb om at bane vejen for sikrere og bedre ydende LIB'er, forskere ved University of Tokyo har for nylig designet og syntetiseret en alternativ cyklisk fosfatbaseret elektrolyt, der er ikke-brændbar. Deres elektrolyt, præsenteret i et papir udgivet i Naturenergi , muliggør sikker, meget stabil drift og høj spænding, bedre end opløsningsmidler indeholdt i de fleste eksisterende LIB'er.

"Elektrolytopløsningsmidlet til lithium-ion-batterier (LIB'er) har været uændret i næsten 30 år, " Prof. Atsuo Yamada, en af ​​forskerne, der udviklede den nye elektrolyt, fortalte TechXplore. "Vi mener derfor, at der skal være stor plads til at udvikle avancerede LIB'er, hvis vi finder et alternativt opløsningsmiddel. Med det i tankerne, under vejledning af prof. Makoto Gonokami, præsident for University of Tokyo, vi etablerede et samarbejde med prof. Eiichi Nakamura, som er en veletableret forsker inden for organisk syntese, at designe et nyt elektrolytopløsningsmiddel med det mål at øge batteriets ydeevne og sikkerhed."

Yamada, Nakamura og deres kolleger designede deres cykliske fosfatbaserede elektrolyt ved at fusionere de kemiske strukturer af det konventionelle elektrolytopløsningsmiddel EC og et brandhæmmende middel. Dette giver fosfategenskaberne for begge molekyler, herunder opløsningsmidlets højspændingstolerance og det brandhæmmende middels ikke-antændelighed, minimere risikoen for, at LIB'er går i brand.

Ved syntetisering af elektrolytten, forskerne fandt, at den mest effektive formel indeholdt 0,95 M LiN (SO ₂ F) ₂ i TFEP/2, 2, 2-trifluorethylmethylcarbonat. Denne specifikke sammensætning muliggjorde syntesen af ​​en elektrolyt med bemærkelsesværdig ikke-antændelighed og en selvslukkende tid på nul, samt stabil drift af grafitanoder og højspændings LiNi _0,5 Mn _1.5 O ₄ katoder.

"Uventet, det nye elektrolytopløsningsmiddel kan øge batterispændingen fra nuværende 3,8 V til 4,6 V og også forbedre batteriets levetid, " sagde Prof. Yamada. "Vi var overraskede over at se, at det designede opløsningsmiddel faktisk viste både højspændingstolerance og brandhæmmende evne, som vi forventede af dens kemiske struktur. Vigtigt, dette er det første tilfælde, at et så rationelt design af kemiske strukturer lykkedes i batterielektrolytter."

Yamada, Nakamura, og deres kolleger er blandt de første til at identificere et alternativt elektrolytopløsningsmiddel, der kunne øge sikkerheden af ​​LIB'er og samtidig forbedre deres ydeevne. I fremtiden, deres cykliske fosfatbaserede elektrolyt kunne bruges til at skabe sikre og højeffektive batterier til en lang række elektroniske enheder.

"Vi håber, at vores arbejde vil stimulere mange forskere til at designe og udvikle en række nye materialer til bedre batterier, " Prof. Yamada sagde. "Vi planlægger nu at fortsætte arbejdet med dette nye elektrolytopløsningsmiddel til kommercielle batteriapplikationer og udvikle nye multifunktionelle batterimaterialer baseret på vores designstrategi."

© 2020 Science X Network