如今，電池技術(shù)已成為現(xiàn)代工業(yè)的關(guān)鍵因素，對我們的生活至關(guān)重要。隨著電池研究的進展，電解質(zhì)被認(rèn)為是實現(xiàn)新電極材料和化學(xué)物質(zhì)的關(guān)鍵組成部分。為了提高電場的電化學(xué)性能，引入含氟（F）基無機元素成分的電解質(zhì)是一個探索方向。然而，大多數(shù)碳氟化合物具有較高的全球變暖和臭氧消耗潛在隱患，不符合電池行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展要求。因此，開發(fā)可持續(xù)電解質(zhì)是未來電池發(fā)展的可行選擇。盡管研究人員在電解質(zhì)優(yōu)化方面取得了很大進展，但對開發(fā)低毒且安全的電解質(zhì)卻很少關(guān)注。最后對實用高壓充電電池綠色電解質(zhì)分子設(shè)計的未來研究方向進行了總結(jié)和展望。
在此，湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院魯兵安課題組討論了環(huán)境友好型電解質(zhì)的溶劑和鹽的設(shè)計原則，旨在闡明溶劑和鹽的設(shè)計原理和該方向的最新進展。首先綜述了已報道的有機電解質(zhì)的溶劑和鹽類以及發(fā)展成熟的溶劑和鹽類。其次，討論了新型電解質(zhì)的設(shè)計原則。最后對實用高壓充電電池綠色電解質(zhì)分子設(shè)計的未來研究方向進行了總結(jié)和展望，為今后的研究方向提供重要參考。這些見解將有助于學(xué)術(shù)界和工業(yè)界開發(fā)下一代綠色、安全、高性能和環(huán)保的電解質(zhì)。
圖1. 可持續(xù)電解質(zhì)屬性的示意圖
目前市售的碳酸酯和醚的氟化是一種很有前途的溶劑工程策略。由于氟原子的吸電子特性，用氟原子取代氫原子可以降低溶劑的最高占據(jù)軌道(HOMO)和最低未占據(jù)軌道(LUMO)能級，提高了氧化穩(wěn)定性，促進了薄而穩(wěn)定的無機固體電解質(zhì)界面(SEI)層的形成。與C-H鍵相比，C-F鍵具有更高的鍵能，因此氟代溶劑是高壓堿金屬電池的理想選擇。在電池中使用氟化溶劑有很多優(yōu)點。 圖2. 電池中典型的含氟電解質(zhì)溶劑的化學(xué)結(jié)構(gòu) 然而，這種方法以犧牲環(huán)境友好性為代價獲得了更好的性能。在回收廢舊電池時，氟化電解質(zhì)成分是一個值得關(guān)注的問題，因為它們在處理和處置過程中可能造成重大的安全和環(huán)境危害。開發(fā)可持續(xù)和環(huán)保的替代材料，如新的非氟化電解質(zhì)系統(tǒng)、溶劑等，其性能可與氟化化合物相媲美甚至更勝一籌，這無疑是一個有前途的方向。因此，高性能非氟化電解液的創(chuàng)新至關(guān)重要。然而，對無氟電解液的研究仍處于早期階段。在此，我們對現(xiàn)有溶劑進行篩選，以及總結(jié)現(xiàn)有溶劑的優(yōu)缺點，并受到啟發(fā)，對后續(xù)篩選溶劑以及合成特定溶劑的方法提供了重要參考價值，對開發(fā)無氟的綠色安全電解液提供一定的借鑒意義。 圖3. 現(xiàn)有溶劑的篩選和優(yōu)化 同時，魯兵安課題組提出一種綠色醚溶劑，通過合理的碳鏈分子設(shè)計原理來激發(fā)空間位阻效應(yīng)，這種結(jié)構(gòu)大大降低了溶劑的生物毒性，并調(diào)節(jié)了電解質(zhì)的溶劑化結(jié)構(gòu)，為高壓堿金屬離子電池電解液的設(shè)計提供了新思路。作者采用傳統(tǒng)的抑制圈法檢測了三種溶劑對大腸桿菌(E. coli)的抗菌性能以及對三種溶劑處理后的大腸桿菌進行了掃描電子顯微鏡(SEM)表征。此外，通過脫氧核糖核苷酸末端轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)的缺口末端標(biāo)記法(TUNEL)進一步從細(xì)胞水平上詳細(xì)討論了這三種溶劑的毒性。實驗結(jié)果顯示DMM溶劑具有較高的生物安全性。從生物分子方面進一步篩選出具有更低毒性的溶劑。 圖4. 不同溶劑的生物毒性 電解質(zhì)的穩(wěn)定性不僅取決于溶劑，還取決于鹽，以及它們的相互作用。鹽的種類很多，往往需要根據(jù)特定體系需求進行選擇。一般來說，高質(zhì)量的鹽具有以下屬性-它們必須(i)確保電解質(zhì)的高離子電導(dǎo)率，(ii)形成穩(wěn)定的低阻抗SEI膜，(iii)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，(iv)成本低，制備簡單，無毒無污染。在此，我們對現(xiàn)有鹽的總結(jié)以及雙鹽的啟發(fā)，對后續(xù)鹽的合成提供了重要參考價值。 圖5. 現(xiàn)有鹽類的篩選與優(yōu)化 該工作綜述了溶劑和鹽的工程策略，以實現(xiàn)具有電化學(xué)和熱穩(wěn)定性，優(yōu)異的離子電導(dǎo)率，增強的低溫和高溫特性，能夠在陽極和陰極形成有效的SEI和CEI，可燃性和安全性以及環(huán)境友好性的電解質(zhì)。陰離子會影響鹽的解離能力、氧化穩(wěn)定性，從而影響電池的熱穩(wěn)定性。氟化溶劑在高壓方面表現(xiàn)出優(yōu)異的物理性質(zhì)，而部分氟化有機溶劑比全氟化有機溶劑具有更高的極性，并且可與其他極性電解質(zhì)組分混溶。在傳統(tǒng)電解液的基礎(chǔ)上篩選和開發(fā)無氟電解液，探索不同結(jié)構(gòu)的調(diào)控對電解質(zhì)物理化學(xué)特性和電化學(xué)性能的影響。通過具有代表性的文獻實例，將全氟化或部分氟化電解質(zhì)成分與非氟化電解質(zhì)成分的優(yōu)點結(jié)合，可以針對特定目的優(yōu)化和定制電解質(zhì)化學(xué)成分。 圖6. 環(huán)境友好型電解質(zhì)的前景 論文信息 Sustainable Electrolytes: Design Principles and Recent Advances Xuemei Ma, Dianwei Zhang, Jie Wen, Prof. Ling Fan, Prof. Apparao M. Rao, Prof. Bingan Lu 文章的第一作者是湖南大學(xué)的博士研究生馬雪梅 Chemistry – A European Journal DOI: 10.1002/chem.202400332
