可充电锂离子电池为手机、笔记本电脑、其他个人电子产品和电动汽车提供动力，甚至还被用于储存太阳能电池板产生的能量。但如果这些电池的温度升高过高，它们就会停止工作并起火。

这在一定程度上是因为它们内部的电解质是易燃的，它在电池充放电时在两个电极之间运送锂离子。

“电池行业面临的最大挑战之一就是安全问题，所以我们花了很多努力来制造一种安全的电池电解质。”斯坦福大学研究生Rachel Z Huang说，她是11月30日在Matter上发表的一篇报告的第一作者。

黄与能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的其他19名研究人员一起开发了一种用于锂离子电池的不易燃电解质。他们的工作表明，含有这种电解质的电池在高温下继续工作而不会起火。

他们的秘密吗?更多的盐。

咸的安全

传统的锂离子电池电解质是由溶解在液态有机溶剂(如醚或碳酸盐)中的锂盐制成的。虽然这种溶剂通过帮助锂离子移动来提高电池性能，但它也是潜在的导火索。

电池在工作时产生热量。如果电池有穿孔或缺陷，它会迅速升温。当温度超过140华氏度时，电解液中的溶剂小分子开始蒸发，从液体转化为气体，使电池像气球一样膨胀，直到气体着火，整个电池都燃烧起来。

在过去的30年里，研究人员已经开发出了不易燃的电解质，例如聚合物电解质，它使用聚合物基质代替经典的盐溶剂溶液来移动离子。然而，这些更安全的替代品不像液体溶剂那样有效地移动离子，因此它们的性能还比不上传统电解质。 

该团队希望生产一种基于聚合物的电解质，既能提供安全性，又能提供性能。黄有了一个主意。

她决定在斯坦福大学博士后学者赖建成(jiancheng Lai)设计和合成的聚合物电解质中尽可能多地添加一种名为LiFSI的锂盐。赖建成是这篇论文的共同第一作者。

黄说:“我只是想看看我能加多少，并测试一下极限。”通常，基于聚合物的电解质中盐的重量不到50%。黄将这一数字提高到63%，创造了有史以来最咸的聚合物电解质之一。

与其他聚合物电解质不同，这种电解质还含有易燃的溶剂分子。然而，在锂离子电池的测试中，被称为溶剂锚定不可燃电解质(SAFE)的整体电解质在高温下被证明不可燃。

SAFE起作用是因为溶剂和盐共同作用。这种溶剂分子有助于离子的传导，其性能与含有传统电解质的电池相当。但是，不像大多数锂离子电池那样在高温下失效，含有SAFE的电池可以在77-212华氏度的温度下继续工作。

同时，大量添加的盐充当了溶剂分子的锚，防止它们蒸发和着火。 

“这一新发现为基于聚合物的电解质设计指出了一种新的思维方式，”斯坦福大学教授、斯坦福材料与能源科学研究所(SIMES)研究员鲍哲南(Zhenan Bao)说，他是黄的顾问。“这种电解质对于开发高能量密度和安全的未来电池非常重要。”

保持粘性

基于聚合物的电解质可以是固体或液体。重要的是，SAFE中的溶剂和盐使其聚合物基质塑化，使其成为一种粘稠的液体，就像传统的电解质一样。

一个好处是:这种粘稠的电解质可以放入现有的、市售的锂离子电池部件中，而不像其他已经出现的不易燃电解质。例如，固态陶瓷电解质必须使用特殊设计的电极，这使得它们的生产成本很高。

“有了外管局，就不需要改变任何生产设置。”黄说。“当然，如果将其用于生产，则需要对电解液进行优化以适应生产线，但工作量比其他任何系统都要小得多。”

斯坦福大学SLAC和斯坦福大学的教授，同时也是黄的顾问的SIMES研究员Yi Cui说:“这种非常令人兴奋的新型电池电解质与现有的锂离子电池技术兼容，将对消费电子产品和电力运输产生重大影响。”

SAFE的一个应用可能是电动汽车。

如果电动汽车中的多个锂离子电池靠得太近，它们会相互加热，最终可能导致过热和火灾。但是，如果一辆电动汽车的电池中充满了像SAFE这样在高温下稳定的电解质，那么它的电池就可以紧密地放在一起，而不用担心过热。

除了降低火灾风险，这还意味着冷却系统占用的空间更少，电池的空间更大。更多的电池会增加整体能量密度，这意味着汽车充电间隔时间可以更长。

“所以这不仅仅是一个安全的好处，”黄说。“这种电解质也可以让你装进更多的电池。”

时间会告诉我们，还有哪些电池驱动的产品会更安全一点。

该研究由美国能源部能源效率和可再生能源办公室在电池材料研究计划和电池500联盟下资助。

引用本文:Huang et al.， Matter, 2022年11月30日(10.1016/j.mat .2022.11.003)

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