鋰離子電池是最有效、應用最廣泛的電池技術之一。然而，電池的電解液主要包含有機碳酸鹽溶劑，這些溶劑被認為是高度易燃的，溫度窗口很窄。為了確保它們在極端溫度下工作時不會著火，工程師必須設計更安全的電解質，不僅不易燃，而且能夠在較寬的溫度范圍內工作。

加州大學圣地亞哥分校雪莉·孟小組和陸軍研究實驗室的研究人員最近開發了新的液化氣體電解質，可用于生產鋰金屬電池，可在-60至55℃下安全運行。發表在《自然能源》上的一篇論文概述了這些電解質的獨特結構，使其能夠滅火。

“液化氣體電解質（LGE）是我們的研究小組在2017年《科學》雜志上發表的一篇論文中首次提出的概念，經過五年的發展，”孟教授實驗室從事這一領域研究的研究員之一尹一杰告訴TechExplorer。它由多種氟碳氣體組成，當置于壓力下時，會液化，形成化學穩定、低冰點、低成本的電解質

與之前論文中介紹的許多最先進的電解質相比，尹及其同事設計的LGE與鋰金屬電池具有高度兼容性。在使用鋰陽極的初始測試中，其在500次循環中達到99.6%的平均庫侖效率（CE），并且能夠在極端條件下循環18650個電池。

該團隊設計的初始LGE基于氟甲烷（FM）和二氟甲烷（DFM）。盡管這些電解質具有優勢，但在中等工作壓力下仍然易燃。

尹解釋說：“為了克服我們之前測試中暴露出的安全問題，我們將清潔滅火劑加入到LGE的成分中，以體現LGE的安全特性，這是LGE系統獨有的能力。”。“1,1,1,2四氟乙烷（TFE）和五氟乙烷（PFE）是滅火溶劑，但也保持低冰點，低成本，蒸汽壓降低。”

該團隊最近論文中介紹的新型LGE在很大程度上（即超過其體積比的80%）由清潔、滅火成分TFE和PFE組成。這大大提高了它們的安全性，大大降低了鋰金屬電池在高溫下著火的風險。

尹說：“我們還添加了二甲醚來溶解鹽類，并形成了高濃度的鹽醚比電解質，為鋰和陰極提供了廣闊的電化學窗口和穩定的界面。”。“由于液化氣體溶劑的蒸汽壓較低（約5 atm），根據其在不同溫度下的蒸汽壓差，可以很容易地回收。”

大多數現有的鋰離子電池使用易燃電解質，這些電解質不能在-20℃以下工作，并且在過度充電時會使設備過熱。在未來，尹和他的同事推出的LGE可以替代其中一些電解質，有助于提高鋰電池技術的安全性。

由于其獨特的溶劑化結構，開發的電解質不僅在130度以上的寬溫度范圍內保持接近恒定的電導率，而且還確保鋰離子是主要的傳輸物種，而不是當前液體電解質中的陰離子。這兩個因素都有助于提高電池速率性能，使電池能夠在低溫下工作。

在最近的實驗中，尹、博羅丁和他們的同事展示了改進LGE設計的許多優勢，包括性能、對寬溫度的適應性和可持續性。此外，他們的方法非常獨特，因為它重新審視了電池技術電解質設計的一些基本原理。

“由于二甲醚是一種新報道的溶劑，它具有最簡單的醚，可能與鋰金屬兼容。它還具有出色的物理性能和電化學傳輸性能，”尹補充道。“我們現在計劃在其他電池研究中挖掘二甲醚的潛力鈥攆例如，在超低溫下工作的電池。追求高電壓（>4.5 V）電池也是我們的興趣所在。我們的論文沒有討論高壓穩定性，我們將進一步開發我們的電解質，以達到這一目標，并保持性能的多功能性，正如我們的《自然能源》論文所報道的那樣。"

漏 2022年科學X網絡