安全耐用的电池因在电动汽车和大规模电网中的广泛使用受到越来越多关注，但传统有机电解液带来的安全问题、工作温度范围有限等限制其进一步应用。电解液是电池的“血液”，影响电池的比容量、工作温度范围等。目前，开发具有宽温度适用范围及高安全性电解液仍有巨大挑战。
“耐低温和耐高温电池的机理不一样。低温会导致离子动力学行为缓慢；高温情况下CEI/SEI高温降解、材料高温不耐受、溶剂不耐高温与阴离子分解与干扰。一般是低温好的高温不佳，高温好的低温不行。”湖南大学物理与微电子科学学院教授鲁兵安说。
为此，鲁兵安科研团队设计将一种常被用作环保低成本高热导率的灭火剂（Novec 7300流体，缩写为MME）引入二次电池（即充电电池）电解液中，通过其与另外两种高低介电常数溶剂的配合，成功构建了阻燃的电解液。这种电解液的长循环性可以简单的通过电解质盐的替换被拓展到不同电池体系，包括钾离子电池和锂离子电池。经文献检索，这是目前工作温域最大的二次离子。
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湖南大学教授鲁兵安科研团队制备的二次离子电池。受访者 供图
研究人员发现MME分子富含低极性C–F键，通过与两种高低介电常数溶剂的配合，能分别溶解钾/锂两种电解质盐并作为电解液使用，具有出色的热稳定性和不易燃性，可在零下75摄氏度至零上80摄氏度的宽工作温度范围内工作。其中，使用MME电解液后，钾金属对称电池的循环寿命能延长到8,800小时（超一年），钾石墨负极电池实现2,400次稳定循环，容量保持率达93%。这主要得益于MME的引入，它调整了电解液溶剂化结构，有助于富含无机成分的钝化层形成。
在MME电解液与磷酸铁锂电池匹配后，实验发现其寿命得以从传统的150次提升到5,400次循环。此外，研究人员通过绝热加速量热仪测试发现，引入MME后的电解液相比引入前具备更高的热失控温度，说明其具备更高的安全性。即使在恶劣条件下的18650锂离子电池中，也能够以96.7%的容量保持率循环超过200次。“加上低成本，目前的配方为电解液设计提供了新的空间，其中几乎所有影响电池可持续性的因素都可以很好地平衡。”鲁兵安说。
2月5日，该成果在线发表于Nature Sustainability上，湖南大学物理与微电子科学学院为第一单位，博士研究生易先辉为第一作者，鲁兵安为唯一通讯作者。研究得到湖南大学博士后傅虹玮、克莱姆森大学教授Apparao M. Rao、中南大学教授周江、中山大学教授王成新等的支持，得到国家自然科学基金等项目资助。
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鲁兵安(前排左2）和其团队合影。受访者 供图
论文审稿人认为，该研究提供了关于钾离子和锂离子电池电解质的有趣发现，提出了一种新的安全和宽温度范围电解质；工作质量非常高，代表了对非水电池电解质的顶尖研究；制备的电池成本低且对环境友好，为电池领域相关研究提供了宝贵的思路。
相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41893-024-01275-0
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