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Supramolecular “flame-retardant” electrolyte enables safe and stable cycling of lithium-ion batteries

易燃液体 电解质 材料科学 阻燃剂 磷酸三甲酯 化学工程 电池(电) 热失控 纳米技术 废物管理 复合材料 电极 有机化学 化学 工程类 磷酸盐 物理 物理化学 功率(物理) 量子力学
作者
Xiaoxia Chen,Shuaishuai Yan,Tianhao Tan,Pan Zhou,Junxian Hou,Xuning Feng,Hao Dong,Peican Wang,Dong Wang,Baoguo Wang,Minggao Ouyang,Kai Liu
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:45: 182-190 被引量:72
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2021.11.026
摘要

Although energy densities of lithium-ion batteries (LIBs) continue to increase, safety problems such as fires and explosions have significantly hindered their large-scale applications. Conventional wisdom tells us the fire of LIBs largely originated from the flammable liquid carbonate solvents, and thus the research on additives with properties of suppressing “liquid-type fire” is the way to fabricate nonflammable batteries. However, the outcome has been proven to be inferior. Here, we carefully examined the evolution of battery fire under thermal abuse condition and found that the “jet fire” caused by flammable gases inside batteries is critical for the fire hazard, and the research effort should be redirected to search proper additives with “gaseous-type fire” suppressing properties. Unfortunately, conventional “gaseous-type fire suppressant” shows poor compatibility with battery electrolytes. Thus, we rationally designed a new kind of supramolecular electrolyte, where the molecules of “gaseous-type fire suppressant” and “SEI&CEI improver” are self-assembled together by intermolecular interactions. Due to this design, the supramolecular electrolyte produces improved cycling stability of Li metal anode and high voltage LiCoO2 cathode (up to 4.4 V). More importantly, it sharply decreases the self-extinguish time of carbonate-based electrolyte from ∼100 s/g to ∼0 s/g, which is unprecedented and can effectively suppress the “jet fire”, thus preventing the further combustion of commercial pouch cell during thermal runaway. Our work is providing the criteria required to overcome this challenge via supramolecular engineering of the electrolyte, which provides a new way to tune electrolyte functions and may bring numerous new possibilities.
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