鋰離子電池能量密度的不斷提升使得新能源汽車的續(xù)航里程達(dá)到了前所未有的高度，但是伴隨能量密度的提升，鋰離子電池的安全性卻在不斷降低，特別是熱穩(wěn)定性較差的高鎳材料的應(yīng)用更是加劇了這種隱憂。在鋰離子電池發(fā)生內(nèi)短路等安全事故時(shí)，短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致正負(fù)極活性物質(zhì)分解，正極分解釋放的O2還會(huì)引起電解液的燃燒，最終導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生熱失控，嚴(yán)重的影響車內(nèi)乘員的人身和財(cái)產(chǎn)安全。

雖然鋰離子電池安全技術(shù)經(jīng)過了多年的發(fā)展，推出了諸如安全閥、涂層隔膜等措施提升鋰離子電池的安全性，但是在內(nèi)短路這樣嚴(yán)重的安全事故下都難以起到很好的保護(hù)作用。近日，美國西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室的XiaCao（第一作者）和Ji-GuangZhang（通訊作者）、WuXu（通訊作者）等人提出了一種采用特殊設(shè)計(jì)的高濃度電解液不但實(shí)現(xiàn)不燃的效果，還在正負(fù)極的界面生成了一層高穩(wěn)定的界面膜從而有效的提升了電池的循環(huán)性能。

常規(guī)的阻燃添加劑主要是磷酸鹽、磷酸胺等物質(zhì)，這些阻燃劑雖然能夠使得電解液具有阻燃、甚至不燃的特性，但是它們與石墨負(fù)極的相容性較差，會(huì)發(fā)生共嵌入，導(dǎo)致石墨層的剝離，因此嚴(yán)重影響鋰離子電池的循環(huán)壽命。

實(shí)驗(yàn)中作者采用的電池正極材料為NCM811，負(fù)極材料為石墨，實(shí)驗(yàn)中采用的幾種電解液分別為：1）傳統(tǒng)的碳酸酯類電解液（EC/EMC=3:7，1MLiPF6）；2）傳統(tǒng)碳酸酯類電解液加入10wt%的TEPa；3）在傳統(tǒng)碳酸酯類電解液中加入10wt%的TEPa和2wt%的VC；4）LiFSI：TEPa：BTFE分別為1:1.3:3的高濃度電解液；4）LiFSI：TEPa：EC：BTFE分別為1:1:0.3:3的高濃度電解液。

下表為上述的幾種電解液的燃燒自熄滅時(shí)間的一個(gè)對(duì)比，自熄滅時(shí)間越短則意味著電解液的阻燃效果越好，我們可以看到在傳統(tǒng)的電解液中加入阻燃添加劑TEPa后電解液的自熄滅時(shí)間從50降低到了25，表明阻燃添加劑能夠有效的改善電解液的阻燃特性，而兩款高濃度電解液的自熄滅時(shí)間都為0，意味著這兩款高濃度電解液根本就無法點(diǎn)燃，因此這兩款電解液是完全不燃燒的。

我們知道通常高濃度電解液存在粘度高、電導(dǎo)率低等問題，因此作者也測試了上述幾種電解液在-10到60℃范圍內(nèi)的電導(dǎo)率（如下圖所示），從圖中能夠看到兩款高濃度電解液在常溫下的電導(dǎo)率要顯著低于常規(guī)的碳酸酯類電解液，我們以30℃下的電導(dǎo)率為例，高濃度電解液的電導(dǎo)率為1.4mS/cm，而碳酸酯類電解液的電導(dǎo)率可以達(dá)到8.6mS/cm，遠(yuǎn)高于高濃度電解液。

下圖為幾種電解液在石墨/Li和NCM811/Li扣式半電池中的電化學(xué)性能表現(xiàn)，從下圖中可以看到兩款高濃度電解液無論是在NCM811正極，還是在石墨負(fù)極表面都非常穩(wěn)定，電池都表現(xiàn)出了良好的循環(huán)性能。

下圖為幾種不同電解液在全電池中的表現(xiàn)，從下圖a中能夠看到在首次充放電中對(duì)照組碳酸酯電解液充電容量為242.6mAh/g，放電容量為197.3mAh/g，首次效率為81.3%，而在傳統(tǒng)電解液中添加10wt%的TEPa后電池的首次效率降低到了66.6%，放電容量也降低到了154.5mAh/g，在傳統(tǒng)的阻燃電解液中添加2wt%的VC后，電池的首次效率有一定的升高達(dá)到78%（放電容量158.9mAh/g），但是電池的極化出現(xiàn)了明顯的增加，這主要是因?yàn)閂C會(huì)在負(fù)極的表面生成一層較厚的SEI膜。采用1.2MLiFSI/TEPa-BTFE高濃度電解液的電池的極化顯著增加，因此NCM811材料的放電容量也僅為106.8mAh/g，首次效率僅為49.9%，但是如果將上述的高濃度電解液中的部分TEPa替換為EC后，就能夠顯著的降低電池的極化，NCM811材料的放電容量也達(dá)到了153.4mAh/g，首次效率提升到了76.6%。

從下圖c的電池循環(huán)數(shù)據(jù)可以看到，對(duì)照組電池在循環(huán)300次后剩余容量為123.1mAh/g，容量保持率為83%，在傳統(tǒng)碳酸酯類電解液加入TEPa阻燃劑后的電池的循環(huán)性能都出現(xiàn)了大幅的衰降，而在高濃度電解液中加入EC后的1.2MLiFSI/TEPa-EC-BTFE高濃度電解液則表現(xiàn)出了優(yōu)異的循環(huán)性能，循環(huán)300次后剩余容量為134.8mAh/g，容量保持率為85.4%，甚至好于空白對(duì)照組電解液。

為了分析高濃度電解液對(duì)電池壽命影響的原因，作者采用高分辨率的TEM對(duì)電極的表面進(jìn)行了分析，從下圖a可以看到原始的石墨顆粒表面非常干凈，在經(jīng)過50次循環(huán)后由于LiPF6和EC的分解，負(fù)極表面形成了一層厚度6-8nm的SEI膜（如下圖b），但是如果我們?cè)谏鲜龅奶妓狨ヮ愲娊庖褐屑尤隩EPa阻燃劑后負(fù)極表面未形成明顯的SEI膜（如下圖c所示），但是我們能夠看到明顯的石墨層剝離的現(xiàn)象，如果在加入阻燃添加劑的同時(shí)再想電解液中加入VC添加劑，我們則能夠在負(fù)極表面觀察到一層厚度為15nm厚的SEI膜（下圖d），較厚的SEI膜成功的抑制了石墨層的剝離，但是較厚的SEI膜也使得電池的極化顯著增加。從下圖e可以看到采用高濃度電解液的負(fù)極表面形成的SEI膜要明顯更薄，如果在高濃度電解液中進(jìn)一步加入EC后我們能夠在石墨負(fù)極表面形成一層厚度僅為3nm的均勻SEI膜。

不僅負(fù)極表面會(huì)形成界面膜，正極的表面同樣會(huì)形成界面膜，從下圖a可以看到新鮮NCM811材料顆粒表面干凈整潔，但是在經(jīng)過50次循環(huán)后在傳統(tǒng)電解液中的NCM811材料顆粒表面形成了一層厚度為5-7nm的正極界面膜，在傳統(tǒng)電解液中添加TEPa阻燃劑后NCM811材料表面形成的界面膜的厚度降低到了2nm，如果在添加TEPa的同時(shí)，還計(jì)入VC添加劑，則正極表面的界面膜厚度會(huì)進(jìn)一步降低到1nm，阻燃添加劑的加入顯著降低了正極界面膜的厚度，但是這層厚度較薄的界面膜仍然能夠起到很好的保護(hù)作用，有效的減少Ni元素的溶出。同樣在兩款高濃度電解液中的正極表面的界面膜厚度也僅為2nm，但是也起到了很好的阻止Ni溶出的作用。

XiaCao開發(fā)的新型高濃度電解液不僅實(shí)現(xiàn)了電解液完全不燃燒，還大幅改善了電解液與正負(fù)極的相容性，通過在正極表面形成更穩(wěn)定的界面膜，保證了電池良好的循環(huán)特性，雖然采用該電解液的電池在正極材料容量發(fā)揮發(fā)揮方面仍然不如傳統(tǒng)的碳酸酯類電解液，但是該研究為高安全鋰離子電池電解液的開發(fā)工作提供了重要的參考。