[01427777]基于氟代溶剂的高安全性钠离子电池电解液的研究

(1)主要研究内容 采购了一系列氟代溶剂,提纯,测试其阻燃性能和熔沸点、电导率、粘度和钠盐溶解度等参数;并开展基本的阻燃性、物理和电化学测试,研究不同组成与结构的氟代溶剂的电化学性质,筛选出数种具有良好阻燃性能和电化学性能的氟代溶剂,选择典型化合物进行深入的电化学和谱学研究,包括：溶剂氧化还原过程的极化性质、反应产物的分析、化学和电化学稳定性,以及成膜机理。优选出几种具有应用前景的氟代溶剂构建原理型电池,研究这类阻燃电解液的应用性质。在上述基础上研究氟代溶剂在电极表面电化学成膜行为及影响因素,重点研究氟代溶剂对负极SEI 膜的影响机制。根据相关的电化学和谱学知识,结合已有的大量电化学实验数据,建立氟代 溶剂的成膜理论模型,并提出优化方案。选取合适正负极材料,建立全电池体系,研究采用阻燃电解液的全电池的效率、循环性、倍率、内阻演变、高低温性能等参数。进行过热、穿刺、挤压等测试,研究其综合性能,并通过添加成膜添加剂、表面改性、优化氟代溶剂成分等进一步优化电解液组成,并开展产学研开发工作。 （2）取得的主要研究进展、重要结果及其科学意义或应用前景 钠离子电池的电解液主要是由易燃的有机碳酸酯或醚类溶剂、钠盐和一些添加剂组成,这就带来了安全隐患。此外,钠金属具有比锂更高的化学活性,导致钠离子电池可能具有比锂离子电池更大的危险性。为了解决这个安全性问题,我们提出一种不可燃的氟代碳酸酯基电解液。电解液成分是由 0.9 mol/L NaPF6溶解在氟代碳酸乙烯酯（FEC）和二-2,2-三氟乙基碳酸酯（TFEC）（3:7,体积比）混合溶剂中组成。测试结果表明,该电解液体系不仅具有优异的阻燃能力,而且与钠离子电池的正负极都具有很好地相容性。在此电解液,普鲁士蓝为正极时表现出色的电化学性能,循环 50 圈后,仍有 84 mAh/g的容量。此外,商业化硬碳材料在该电解液中也表现出了较好的电化学性能。这项工作可能为开发下一代安全型钠离子电池提供新途径。 聚碳酸酯具有较高的介电常数和较强极性的碳酸酯基团,是一类高性能的聚合物固态电解质,但是它在全固态钠离子电池体系中的研究非常少。本文以简便的方法成功制备出了聚碳酸丙烯酯基全固态聚合物电解质,并研究了该全固 态电解质在以 3,4,9,10-苝四甲酸二酐（PTCDA）为正极的有机全固态钠电池中的应用。这种全固态聚合物电解质在钠离子电池中的 应用能够有效提高钠离子电池的安全性,防止过充、电解液泄露甚至爆炸等一系列不安全因素带来的隐患。结果表明： 这种聚碳酸丙烯酯基全固态聚合物电解质在室温下具有较高的电导率,并且循环前后的阻抗测试说明了该电解质与有机 正极具有良好的兼容性。取代了传统液体有机电解液后,该全固 态钠电池在室温下展示出了优异的循环性能,循环 50 周 后,容量保持率为 99.1%;然而,同类型的液体电池遭受了严重的容量衰减,循环50 周后容量只有 24.6 mAh/g,容量保持率仅为 20.5%。