鋰離子電池具有開路電壓高、能量密度高、輸出功率高、循環(huán)性能好、自放電小和充放電效率高等特點(diǎn)。自1991年鋰離子電池問世并商業(yè)化生產(chǎn)以來，已然成為我們生活中必不可缺的部分。但是，鋰離子電池在機(jī)械沖擊、熱沖擊和過充短路等濫用條件下極易發(fā)生起火燃燒甚至爆炸。在世界范圍內(nèi)，每年都會(huì)發(fā)生大量鋰離子電池濫用而導(dǎo)致的熱失控相關(guān)的安全事故，因此學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界也在不斷重視和加強(qiáng)對(duì)鋰離子電池安全性的探究和提高。
造成熱失控(冒煙、起火燃燒、爆炸)的濫用條件中，重要條件主要有機(jī)械濫用(如擠壓、針刺)、電濫用(如過充、內(nèi)部短路)和熱濫用(如過熱沖擊)等。其中，電解液在鋰離子電池?zé)崾Э剡^程中扮演著關(guān)鍵角色。
鋰離子電池中通常采用碳酸酯基電解液，由鋰鹽(如六氟磷酸鋰LiPF6)和閃點(diǎn)低、高度可燃、電化學(xué)穩(wěn)定性差的碳酸酯溶劑(如碳酸乙烯酯EC、碳酸二甲酯DMC等)組成。因此從材料角度看，在改進(jìn)鋰離子電池由于熱失控而起火燃燒爆炸的安全性眾多策略中，如采用阻燃電解液、阻燃型耐熱收縮隔膜、固態(tài)電解質(zhì)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高的電極材料(如磷酸鐵鋰LFP)等。發(fā)展高安全性阻燃電解液是一種較簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)的策略，其能夠有效降低鋰離子電池因熱失控而燃燒爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，從而大大降低人員和財(cái)產(chǎn)傷害。
鋰離子電池阻燃電解液是研究最早、最多的一類阻燃劑是含磷元素的有機(jī)阻燃添加劑，如：磷酸酯類阻燃添加劑、亞磷酸酯類阻燃添加劑、膦酸酯類阻燃添加劑、磷腈類阻燃添加劑等。
據(jù)報(bào)道，由于磷元素含量高，烷基膦酸酯類阻燃劑的阻燃能力高于烷基磷酸酯和烷基亞磷酸酯，常見的烷基膦酸酯阻燃劑有甲基膦酸二甲酯[dimethylmethylphosphonate，DMMP]、乙基膦酸二乙酯[diethylethylphosphonate，DEEP]。為了提高烷基膦酸酯和碳基負(fù)極的兼容性，苯基取代、鹵素取代、噻吩甲基取代的膦酸酯類阻燃劑也被陸續(xù)開發(fā)出來，如苯基膦酸二乙酯[diethyl phenylphosphonate，DPP]、雙(2,2,2-三氟乙基)甲基膦酸酯[bis(2,2,2-trifluoroethyl)methylphosphonate，TFMP]、2-(2,2,2-三氟乙氧基)-1,3,2-二氧磷雜環(huán)戊烷-2-氧化物[2-(2,2,2-Trifluoroethoxy)-1,3,2-dioxaphospholane 2-Oxide，TFEP]、2-(噻吩甲基)膦酸二乙酯[diethyl(thiophen-2-ylmethyl)phosphonate，DTYP]。
日本東京大學(xué)Eiichi Nakamura和Atsuo Yamada教授(共同通訊作者)課題組，合成了氟化環(huán)狀磷酸酯溶劑2-(2,2,2-三氟乙氧基)-1,3,2-二氧磷雜環(huán)戊烷-2-氧化物(TFEP)作為主溶劑，用于高操作電壓及高安全性的鋰離子電池。該工作于2020年3月2日在線發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊Nature Energy。
據(jù)了解，TFEP溶劑分子中的環(huán)狀碳酸酯分子結(jié)構(gòu)可以形成穩(wěn)定的固體電解質(zhì)中間相，而有機(jī)磷酸酯分子結(jié)構(gòu)可以捕獲氫自由基并防止燃燒。將0.95 M LiFSI溶于TFEP和2,2,2-三氟乙基甲基碳酸酯(FEMC)共溶劑，發(fā)現(xiàn)其具有高度不可燃性和零自熄時(shí)間，且能夠在石墨負(fù)極和高電壓LINi0.5Mn1.5O4(LNMO)正極中穩(wěn)定運(yùn)行。該項(xiàng)工作首次賦予了較低濃度下電解液的不可燃性與耐高電壓性質(zhì)。
