簡介

鋰離子電池可提供高性能的儲能，讓能量得以高效儲存并按需輸送，因而被廣泛用作手機等便攜式電子設備的充電電池1。此外，鋰離子電池作為有效的儲能裝置所表現出的可靠功效，使其成為電動汽車的電池類型2。為實現全球減排目標并保護環境，電動汽車的產量顯著增長，對鋰電池的需求也隨之激增。

鋰離子電池包括一個負極——石墨電極和一個正極——鋰插層電極，兩電極之間以合適的電解液隔開。在提供能量時，鋰離子從負極通過電解液移動到正極，充電時則相反。為支持電動汽車的大規模投放，鋰電池的產量大幅增長，對相應化學成分的需求隨之激增。由于電池產量的擴大旨在降低交通運輸領域的碳足跡，因此，鋰離子電池生產過程中使用的原材料也需要以可持續的方式獲得2。

為此，下述最新研究探索了如何從生物質和農業廢棄物中獲得適用于生產鋰離子電池的電解質，從而減少自然資源消耗。

商用鋰電池

商用鋰離子電池中的電解質通常是溶解于有機碳酸鹽基溶劑中的六氟磷酸鋰（LiPF6）。這些溶劑具有揮發性和易燃性，因而在惡劣條件下可能造成嚴重的化學危害，并可能引發火災3。

此外，LiPF6具有熱不穩定性，約343K溫度下，會在有機溶劑基電解液中分解，產生有毒和腐蝕性的氟化氫。因此，氟化氫可能與電池組件發生反應，從正極釋放過渡金屬，并腐蝕集電器。此過程產生的熱量可能引發熱失控，不僅對電池性能造成不利影響，還會對水和土壤造成污染，在回收過程中還可能危害人類健康4。

鑒于目前，大量鋰離子電池正在進入日常充放電循環，因此，有必要更換鋰離子電池中存在的大量氟和易燃有機溶劑，以提高新一代電池的安全性和性能。為此，科研人員對許多新型鋰鹽進行了電池組件測試，但其中大多數在熱應用和電化學應用中的表現非常不穩定5。

然而，一些引入了芳基的鋰鹽表現出較高的熱穩定性，并且易溶于有機溶劑或離子液體，因而在電池應用中具有很大潛力6。因此，離子液體正在成為鋰離子電池電解液的潛在替代材料。

離子液體電解質

離子液體是指室溫條件下的熔鹽，其不易燃，并且具有較高的熱穩定性和良好的離子導電性。因此，它們有望成為鋰離子電池目前使用的揮發性有機溶劑基電解質的更安全替代材料7。經確定，在將用于鋰離子電池的離子液體中，較有效的陽離子是四烷基銨、環狀脂肪族季銨和咪唑啉7。

近期，相關科研人員正在開展研究，試圖使用可再生資源來制備這些無氟電解質8。例如，在最近的一項研究中，科研人員利用從大規模產生的生物質和農業廢棄物中獲得的陰離子，制得無氟電解質——使用木質纖維素生物質制得2-糠酸。人們希望，此工藝將有助于開發可再生的電池電解質。

科研人員使用布魯克Ascend Aeon WB 400波譜儀并通過核磁共振（NMR）波譜分析，獲得了所制得的鋰鹽和電解質的結構表征，并使用布魯克Avance III波譜儀，通過脈沖梯度場自旋回波核磁共振分析，獲得NMR擴散和弛豫數值；然后，使用配有氘代硫酸三甘氨酸（DTGS）檢測器和金剛石ATR附件的布魯克IFS 80v波譜儀，獲得樣本的傅里葉變換衰減全反射紅外光譜（ATR-FTIR）。

科研人員發現，該電解質的分解溫度高于568K，并且在較寬的溫度范圍內表現出可接受的離子電導率。脈沖梯度場核磁共振分析證實，鋰離子與該電解質中的羧酸鹽官能團發生強烈的相互作用，并且在整個研究溫度范圍內，擴散速度低于其他離子。此外，核磁共振波譜和傅立葉變換紅外光譜也證實了鋰離子與羧酸基團的相互作用。

鋰離子的遷移數量隨鋰鹽濃度的增加而增加。線性掃描伏安法表明，在超過313K的溫度條件下，鋰離子會發生欠電位沉積和體積還原。

這些數據證明，通過具有較高成本效益、良好環保性和可持續性的工藝來開發具有熱穩定性和電化學穩定性的無氟電解質是可行的。我們希望，這項研究將幫助行業開始克服鋰離子電池的安全性、可回收性、可獲得性、可負擔性和使用壽命方面的挑戰。

布魯克的技術組合覆蓋鋰離子電池供應鏈和價值鏈中的各個環節，其中包括用于對本文所述的新型電解質配方進行分析的核磁共振波譜儀和傅立葉變換紅外光譜儀。同時，布魯克的技術還覆蓋對鋰金屬在陽極材料上的沉積現象（稱為鋰鍍層）的研究——該研究利用的關鍵技術是電子順磁共振（EPR）2。此外，固體魔角旋轉（MAS）核磁共振波譜儀被用于了解電池充放電過程中的離子遷移率。最后，靈敏度增強的低溫冷卻CP-MAS探頭被用于識別和測量電池回收過程中產生的黑色物質中有價值的微量元素。在將循環經濟概念應用于電池行業的過程中，磁共振分析輔助下的新型回收工藝也發揮了至關重要的作用。

參考文獻：

1. Scrosati B, Garche J. Lithium Batteries: Status, Prospects and Future. J. Power Sources 2010, 195, 2419−2430.

2. Loftus PJ, Cohen AM, Long JCS, Jenkins JDA. Critical Review of Global Decarbonization Scenarios: What Do They Tell Us About Feasibility? Wiley Interdiscip. Rev. Clim. Change 2015, 6,93−112.

3. Wang Q, Ping P, Zhao X, et al. Thermal Runaway Caused Fire and Explosion of Lithium Ion Battery. J. Power Sources 2012, 208, 210−224.

4. Contestabile M, Panero S, Scrosati BA. Laboratory-Scale Lithium-Ion Battery Recycling Process. J. Power Sources 2001, 92, 65−69.

5. Barbarich TJ, Driscoll PF, Izquierdo S, et al. New Family of Lithium Salts for Highly Conductive Nonaqueous Electrolytes. Inorg. Chem. 2004, 43,7764−7773.

6. Armand M, Johansson P, Bukowska M, et al. Review-Development of Hu?ckel Type Anions: From Molecular Modeling to Industrial Commercialization. A Success Story. J. Electrochem. Soc. 2020, 167,No. 070562.

7. Appetecchi GB, Montanino M, Passerini S. Ionic Liquid-Based Electrolytes for High-Energy Lithium Batteries. In Ionic Liquids:Science and Applications; Visser, A. E.; Bridges, N. J.; Rogers, R. D.,Eds.; ACS Symposium Series 1117; Oxford University Press, Inc.,American Chemical Society: Washington DC, 2013; pp 67−128.

8. Khan IA, Gnezdilov OL, Filippov A, et al. Ion Transport and Electrochemical Properties of Fluorine-Free Lithium-Ion Battery Electrolytes Derived from Biomass. ACS Sustainable Chem. Eng. 2021. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c00939