氟甲烷电化学稳定性及其在锂离子电池中的应用
来源：宝鄂实业
2019-04-20 12:07
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“电解质是提高下一代的储能设备性能的主要瓶颈，”Rustomji说，“液体电解质已经得到了充分的研究，许多人正在把注意力转向固态电解质。而我们冒险地选择了不同的道路，探索了基于气体的电解质的应用。”
“当Rustomji提出这个想法时，我起初认为他疯了，这个方法太脱离现实了。”Meng教授半开玩笑地说。“幸亏有机构愿意冒险来资助这类高风险高回报的想法。”
除了能够提高锂离子电池和超级电容器在低温下的性能，这种电解质还带来了另一个安全性上的好处——电池永不会过热。当温度过高时，电解质中的盐类溶解度就会下降，导电性降低，电池就会停止工作；而冷却下来之后，电解质中盐类溶解度又会恢复，然后电池就能重新正常工作。“这是一个自带的防止电池过热的安全机制。”Rustomji说。
液化气”并不是通常做饭用的液化石油气，她们将二氟甲烷、氟甲烷等常温常压下的气体物质液化之后用做电解质的溶剂系统。通常认为，常温常压下的气态物质通常是非极性的，分子间作用力很低，这阻止了它们在室温下液化，甚至在冷却、加压后液态下溶解盐的能力。而极性气体如二氟甲烷在低温或中等压力下，就可以液化，并且对锂盐表现出良好的溶解性，以此类液化气体为溶剂的电解质比标准电解质更耐低温。
研究者首先要证明这些液化气体适合做电解质溶剂。作者筛选了6种液化气体：氟甲烷（FM）、二氟甲烷（DFM）、氟乙烷（FE）、1,1-二氟乙烷（1,1-DFE）、1,1,1,2-四氟乙烷（1,1,1,2-TFE）、2-氟丙烷（2-FP）。结果发现，氟甲烷（FM）和二氟甲烷（DFM）相比常规电解质溶剂四氢呋喃（THF）和碳酸乙烯酯（EC）有更好的化学稳定性。同时，由于它们的粘度非常低，在这些溶剂中离子迁移率会相当高。“低粘度意味着较高的离子迁移率，这意味着电池或电容器具有高导电性，即使是在极端寒冷的环境下。”Rustomji说。此外，这些溶剂很容易达到超临界点，超临界相的零表面张力为其提供了优异的润湿性，更容易进入材料的纳米孔道。
液化气体溶剂的理化性质比较。
接下来，研究者考察了基于这些液化气体溶剂的电解质的电化学性能。实验证明，TBAPF6溶解于二氟甲烷后具有较高的电导率。研究者测试了其电化学稳定性及其在超级电容器中的性能。相比于乙腈，液化二氟甲烷溶剂在低温下展示出极大的优势，适用温度范围可以从零下80摄氏度至零上60摄氏度，并且具有良好的循环稳定性。
二氟甲烷电化学稳定性及其在超级电容器中的应用。
金属锂存在库仑效率差、枝晶生长等问题，而使用低粘度的溶剂能有效提高金属锂的循环稳定性并抑制锂枝晶的形成。研究者采用氟甲烷（添加少量CO2，促进LiF和Li2CO3为主要成分的固体电解质界面膜形成）做溶剂，将基于碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯（EC/DEC）系统的传统锂离子电池的工作温度低限从零下10摄氏度直接拓展到零下60摄氏度。C/10倍率下，基于液化气体电解质的锂离子电池在零下40摄氏度几乎没有容量衰减，零下60摄氏度的容量衰减也只有40%。而且，室温性能与常规锂离子电池相比并不逊色。
