Разработка негорючего электролита для предотвращения теплового выхода лития из строя

Адаптация молекулярной структуры органических карбонатов в коммерческих электролитах снижает пожароопасность аккумуляторов. Нефторированные, негорючие электролиты представляют собой реальный путь к созданию термостабильных высокопроизводительных батарей.

Опубликовано

Президент Корейского института науки и технологий (KIST) Сок-Джин Юн объявил, что совместная исследовательская группа под руководством доктора Мины Ли из Исследовательского центра хранения энергии и профессора Дон-Хва Со из Корейского института передовых наук и технологий (KAIST) ), и доктора. Ён Джин Ким и Джаён Пэк из Корейского института промышленных технологий (KITECH) разработали негорючий электролит, который не воспламеняется при комнатной температуре, путем адаптации молекулярной структуры линейного органического карбоната для предотвращения возгорания и термического разгона в литий-ионных батареях. .

Фото: Корейский институт науки и технологий.

По мере расширения использования литий-ионных батарей среднего и крупного размера в электромобилях и системах хранения энергии (ESS) растет обеспокоенность по поводу пожаров и взрывов. Пожары в батареях возникают при коротком замыкании батарей из-за внешних воздействий, неправильного обращения или старения, а явление термического разгона, сопровождающееся последовательными экзотермическими реакциями, затрудняет тушение пожара и создает высокий риск получения травм. В частности, линейный органический карбонат, используемый в коммерческих электролитах для литий-ионных аккумуляторов, имеет низкую температуру вспышки и легко воспламеняется даже при комнатной температуре, что является непосредственной причиной возгорания.

До сих пор для снижения горючести электролита широкое распространение получило интенсивное фторирование в молекулах растворителя или высококонцентрированных солях. В результате транспорт ионов лития в электролите был уменьшен или они были несовместимы с коммерческими электродами, что ограничивало их коммерциализацию.

(Слева) Электролит коммерческого литий-ионного аккумулятора (DEC) и новый электролит (BMEC), разработанный совместной исследовательской группой KIST, KITECH и KAIST (справа).

Одновременно применяя удлинение алкильной цепи и замещение алкокси к молекуле диэтилкарбоната (DEC), типичного линейного органического карбоната, используемого в коммерческих электролитах для литий-ионных аккумуляторов, исследователи разработали новый электролит, бис (2-метоксиэтил) карбонат (BMEC), с повышенной температурой вспышки и ионной проводимостью за счет увеличения межмолекулярных взаимодействий и сольватационной способности. Раствор BMEC имеет температуру вспышки 121°C, что на 90°C выше, чем у обычного раствора DEC, и, таким образом, он не воспламеняется в температурном диапазоне, при котором работает обычная батарея. BMEC может диссоциировать литиевую соль сильнее, чем его простой алкилированный аналог, дибутилкарбонат (DBC), решая проблему более медленного транспорта ионов лития при снижении воспламеняемости за счет увеличения межмолекулярного взаимодействия. В результате он сохраняет более 92% исходной производительности обычного электролита, при этом значительно снижая опасность возгорания.

Кроме того, новый электролит уменьшил выделение горючего газа на 37% и выделение тепла на 62% по сравнению с традиционным электролитом. Исследовательская группа продемонстрировала стабильную работу литий-ионных аккумуляторов емкостью 1 Ач в течение 500 циклов, объединив новый электролит с катодом с высоким содержанием никеля и графитовым анодом. Они также провели тест на проникновение гвоздя на литий-ионном аккумуляторе емкостью 4 Ач, заряженном на 70 %, и подтвердили подавление теплового разбега.

Доктор Мина Ли из KIST заявила: «Результаты этого исследования открывают новое направление для разработки негорючих электролитов, в которых неизбежно приносятся в жертву электрохимические свойства или экономическая целесообразность». «Разработанный негорючий электролит обладает конкурентоспособной стоимостью и отличной совместимостью с электродными материалами с высокой плотностью энергии, поэтому ожидается, что он будет применяться в традиционной инфраструктуре производства аккумуляторов. В конечном итоге это ускорит появление высокопроизводительных батарей с превосходной термической стабильностью».