锂离子电池是最有效、应用最广泛的电池技术之一。然而，电池的电解液主要包含有机碳酸盐溶剂，这些溶剂被认为是高度易燃的，温度窗口很窄。为了确保它们在极端温度下工作时不会着火，工程师必须设计更安全的电解质，不仅不易燃，而且能够在较宽的温度范围内工作。
加州大学圣地亚哥分校雪莉·孟小组和陆军研究实验室的研究人员最近开发了新的液化气体电解质，可用于生产锂金属电池，可在-60至55℃下安全运行。发表在《自然能源》上的一篇论文概述了这些电解质的独特结构，使其能够灭火。
“液化气体电解质（LGE）是我们的研究小组在2017年《科学》杂志上发表的一篇论文中首次提出的概念，经过五年的发展，”孟教授实验室从事这一领域研究的研究员之一尹一杰告诉TechExplorer。它由多种氟碳气体组成，当置于压力下时，会液化，形成化学稳定、低冰点、低成本的电解质
与之前论文中介绍的许多最先进的电解质相比，尹及其同事设计的LGE与锂金属电池具有高度兼容性。在使用锂阳极的初始测试中，其在500次循环中达到99.6%的平均库仑效率（CE），并且能够在极端条件下循环18650个电池。
该团队设计的初始LGE基于氟甲烷（FM）和二氟甲烷（DFM）。尽管这些电解质具有优势，但在中等工作压力下仍然易燃。
尹解释说：“为了克服我们之前测试中暴露出的安全问题，我们将清洁灭火剂加入到LGE的成分中，以体现LGE的安全特性，这是LGE系统独有的能力。”。“1,1,1,2四氟乙烷（TFE）和五氟乙烷（PFE）是灭火溶剂，但也保持低冰点，低成本，蒸汽压降低。”
该团队最近论文中介绍的新型LGE在很大程度上（即超过其体积比的80%）由清洁、灭火成分TFE和PFE组成。这大大提高了它们的安全性，大大降低了锂金属电池在高温下着火的风险。
尹说：“我们还添加了二甲醚来溶解盐类，并形成了高浓度的盐醚比电解质，为锂和阴极提供了广阔的电化学窗口和稳定的界面。”。“由于液化气体溶剂的蒸汽压较低（约5 atm），根据其在不同温度下的蒸汽压差，可以很容易地回收。”
大多数现有的锂离子电池使用易燃电解质，这些电解质不能在-20℃以下工作，并且在过度充电时会使设备过热。在未来，尹和他的同事推出的LGE可以替代其中一些电解质，有助于提高锂电池技术的安全性。
由于其独特的溶剂化结构，开发的电解质不仅在130度以上的宽温度范围内保持接近恒定的电导率，而且还确保锂离子是主要的传输物种，而不是当前液体电解质中的阴离子。这两个因素都有助于提高电池速率性能，使电池能够在低温下工作。
在最近的实验中，尹、博罗丁和他们的同事展示了改进LGE设计的许多优势，包括性能、对宽温度的适应性和可持续性。此外，他们的方法非常独特，因为它重新审视了电池技术电解质设计的一些基本原理。
“由于二甲醚是一种新报道的溶剂，它具有最简单的醚，可能与锂金属兼容。它还具有出色的物理性能和电化学传输性能，”尹补充道。“我们现在计划在其他电池研究中挖掘二甲醚的潜力鈥攆例如，在超低温下工作的电池。追求高电压（>4.5 V）电池也是我们的兴趣所在。我们的论文没有讨论高压稳定性，我们将进一步开发我们的电解质，以达到这一目标，并保持性能的多功能性，正如我们的《自然能源》论文所报道的那样。"
漏 2022年科学X网络
