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歐陽(yáng)明高/Khalil Amine等AEM: 基于無(wú)碳酸乙烯酯電解液的高電壓安全實(shí)用鋰電池

嚴(yán)重的安全問(wèn)題，通常表現(xiàn)為熱失控 (TR)，是由充電狀態(tài)下腐蝕性富鎳正極的耐熱性差引發(fā)的，尤其是當(dāng)它遇到高還原性碳酸乙烯酯 (EC) 時(shí)，這阻礙了高能鋰離子電池（LIB）的大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。

為此，清華大學(xué)歐陽(yáng)明高院士、王莉副研究員、馮旭寧以及美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Khalil Amine研究員等人報(bào)道了10 Ah容量軟包LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂ |石墨 (NMC811|Gr)電池的高安全性，該電池基于完全非質(zhì)子無(wú)環(huán)狀碳酸酯溶劑的電解液（不含EC）。

EC溶劑的去除極大地有益于帶電的NMC811與電解液的穩(wěn)定性，具體地，通過(guò)采用三鹽的協(xié)同作用，無(wú)EC電解液（0.8 M LiFSI-0.1 M LiTFSI-0.6 M LiPF₆/EMC) 可以在高工作電位（高達(dá)4.5V）下有效穩(wěn)定NMC811正極表面，并產(chǎn)生穩(wěn)定的界面以實(shí)現(xiàn)與Gr負(fù)極的良好兼容性。

圖1. NMC811|Gr電池的電化學(xué)行為

因此，這種基于電解液的組合策略產(chǎn)生了優(yōu)異的電化學(xué)性能（200 次循環(huán)后容量保持率約為100%），顯著增強(qiáng)了其固有熱特性（TR觸發(fā)溫度增加了67.0 °C），并延長(zhǎng)了模組內(nèi)的電池間TR傳播時(shí)間（平均延長(zhǎng)一倍）。即使在4.5 V的高工作電位的苛刻條件下，實(shí)用的NMC811|Gr軟包電池在200次循環(huán)后仍能保持其原始容量的 82.1%，比傳統(tǒng)的基于EC的電解液的容量保持率高8倍。

這些基本發(fā)現(xiàn)打破了基于Gr的LIB的傳統(tǒng)電解液設(shè)計(jì)框架，將依賴界面層的形成轉(zhuǎn)移到鋰鹽而不是溶劑，并擴(kuò)展了無(wú)EC電解液系統(tǒng)的傳統(tǒng)知識(shí)，為定制電極材料和開發(fā)安全電池的實(shí)用技術(shù)開辟了新的方向。

圖2. 10 Ah NMC811|Gr軟包電池的安全特性

High-Voltage and High-Safety Practical Lithium Batteries with Ethylene Carbonate-Free Electrolyte, Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202102299

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