Die Verbesserung der Energiedichte von Lithium--Ionen-Batterien geht oft mit einem Anstieg der Sicherheitsrisiken einher. Das aktuelle Hauptelektrolytsystem basiert auf Carbonatlösungsmitteln, die niedrige Flammpunkte haben und brennbar und flüchtig sind. Unter missbräuchlichen Bedingungen wie Überladung, Kurzschluss oder hoher Temperatur besteht eine hohe Anfälligkeit für thermisches Durchgehen, was zu Batteriebränden oder sogar Explosionen führen kann, was ein ernstes Sicherheitsrisiko darstellt. Bei Arbeitstemperaturen über 50 Grad beschleunigen sich die Nebenreaktionen zwischen Elektrode und Elektrolyt stark, was zu einem schnellen Kapazitätsabbau der Batterie führt und ihren zuverlässigen Einsatz in weiten Temperaturbereichen einschränkt. Flammhemmende Phosphatester-Lösungsmittel gelten als ideale Alternative zu Carbonat-Lösungsmitteln. Das seit langem bestehende Problem der Inkompatibilität mit Graphitanoden hat jedoch ihre Kommerzialisierung behindert: Bei herkömmlichen oder niedrigen -Salzkonzentrationen können Phosphatesterelektrolyte keine stabile Festelektrolytgrenzfläche (SEI) auf der Oberfläche von Graphitanoden bilden, und der Elektrolyt wird zusammen mit Lithiumionen in die Graphitzwischenschichten eingebettet, was zu kontinuierlicher Zersetzung und strukturellen Schäden führt.
Derzeit hat ein Team auf innovative Weise einen neuen Typ eines fluorierten Phosphorsäureester-Lösungsmittels mit sechs--Ringen namens 2-(2,2,2-trifluorethoxy)-1,3,2-dioxaphosphorinan-2-oxid (HTP) synthetisiert. Im Vergleich zum herkömmlichen fünf--gliedrigen Phosphorsäureester weist die sechs--gliedrige Ringstruktur von HTP eine geringere Ringspannung auf, was die thermische und chemische Stabilität des Moleküls aus thermodynamischer Sicht deutlich erhöht und Nebenreaktionen wie die Ringöffnungszersetzung hemmt. Auf dieser Grundlage wählte das Team Tri-(2,2,2-trifluorethyl)phosphat (TFEP) als Co-Lösungsmittel und koordinierte es mit Lithium-bis(fluorsulfonyl)imid (LiFSI)-Salz, wodurch erfolgreich ein niedrigkonzentriertes All-Phosphorsäureester-Elektrolytsystem mit einer Lithiumsalzkonzentration von nur 1,2 M aufgebaut wurde. Der Hauptvorteil dieses Elektrolyten liegt darin, dass er durch einzigartige Wechselwirkungen zwischen den Lösungsmitteln die Solvatationsstruktur von Lithiumionen reguliert und dadurch die Bildung eines stabilen und dichten SEI-Films auf der Graphitanode induziert und so das Kompatibilitätsproblem überwindet.
Diese Arbeit basiert auf einem neuen Typ eines hexazyklischen Phosphorsäureester-Lösungsmittels (HTP) und hat erfolgreich einen Elektrolyten aus reiner -Phosphorsäure mit niedriger -Konzentration konstruiert. Dieser Elektrolyt mit seinem breiten elektrochemischen Fenster, seinem extrem hohen Flammpunkt und seiner hervorragenden Flammhemmung ermöglicht einen stabilen Betrieb einer 4,5-V-Graphitbatterie||NMC811 bei bis zu 100 Grad und besteht strenge Sicherheitstests wie Durchstechen und durchbricht den Engpass, bei dem herkömmliche Elektrolyte nur schwer ein Gleichgewicht zwischen hoher Sicherheit und Hochspannungs- und Hochtemperaturleistung herstellen können.
