第一作者：缪思成
通讯作者：曹余良*，方永进*
单位：武汉大学化学与分子科学学院
【研究背景】
钠离子电池因其资源丰富和成本低廉的优势，成为下一代
电化学储能系统的有力候选者。然而，目前广泛使用的有机液态电解质通常具有易燃易挥发性，在滥用条件下(如过充、机械挤压、热冲击)易引发电池起火或爆炸，带来严重安全隐患。
电解液的性质与电池安全事件频发密切相关，这推动了不燃电解液的发展。
【工作介绍】
近日，武汉大学化学与分子科学学院方永进和曹余良教授团队在国际顶级期刊《Chemical Society Reviews》上发表题为《Non-flammable electrolytes for high-safety sodium-ion batteries》的综述文章。该文章系统总结了高安全性钠离子电池用不燃电解液的最新研究进展，重点讨论了阻燃机制、各类不可燃电解液(包括液态与固态)的设计策略、性能优势与挑战，并对未来发展方向提出了展望。
图1. 用于高安全SIBs的不可燃电解液。
【内容表述】
1. 有机电解液
有机液态电解液是目前发展最为成熟的电解质体系，但其面临着与安全性相关的问题。电池的安全性与其电解质的电化学稳定性和热稳定性密切相关。为促进不燃有机电解液的发展，已提出了五种方法：(1)阻燃添加剂，(2)不燃性溶剂，(3)共晶电解液，(4)高浓电解液，以及(5)局部高浓电解液。
图2. 典型不燃添加剂和溶剂的分子结构。
2. 水系电解液
水系钠离子电池(ASIBs)为储能技术的可持续发展提供了一种有前景的替代方案。虽然在电解液中使用水从根本上解决了与有机电解质易燃性相关的安全问题，但是水的存在也给ASIBs带来了挑战，例如有限的电化学稳定性窗口以及水与电极之间可能发生的副反应。
图片
图3. 水系电解液的性能表现。
3. 离子液体电解液
离子液体是一类由阳离子和阴离子组成的电解液，在室温下呈液态，是一类引人注目的电解液类别。其固有非易燃性、低挥发性及优异的电化学稳定性等显著特性，使其成为不可燃电解液的理想候选材料。然而，高粘度、高成本等挑战阻碍了其广泛应用。离子液体的高粘度会阻碍离子迁移，而离子迁移对于电化学电池的高效传导至关重要，这一局限性导致其充放电速率相较于传统电解质更为缓慢。此外，离子液体的合成通常涉及复杂工艺和相对昂贵的起始材料，导致其生产成本较高。研究人员正积极寻求解决这些挑战的方案，例如开发低粘度的全新配方，以及探索更具成本效益的合成方法。
图4. 离子液体电解液的性能表现。
4. 无机固态电解质
无机固态电解质以其显著的机械强度为特征，这对抑制钠枝晶的形成和传播起着至关重要的作用。这对于防止内部短路和提升SIBs的整体循环稳定性至关重要。然而，由于无机固态电解质在循环过程中难以实现并保持电解质与电极界面紧密接触，它的机械强度存在一个权衡。接触不良可能导致界面兼容性受损，从而对电池的长期性能和可靠性产生负面影响。为了优化
固态电池的性能，必须解决防止枝晶生长所需的机械强度与稳定界面接触的必要性之间的关键平衡问题。这种平衡对于确保下一代SIBs操作的安全性和效率至关重要。
图5. 无机固态电解质的性能表现。
5. 聚合物固态电解质
与无机固态电解质相比，聚合物固态电解质通常展现出卓越的灵活性、易于处理和良好的电极界面兼容性，使得它们特别适合用于固态金属电池中。然而，由于它们的结构差异导致离子运输机制与无机固态电解质不同，聚合物固态电解质通常显示出较低的离子电导率。此外，由单体聚合形成的高分子量化合物往往面临与热稳定性差相关的问题。根据组成和溶剂含量，聚合物固态电解质可以分为两类：全聚合物固态电解质和凝胶聚合物固态电解质。
图6. 聚合物固态电解质的性能表现。
6. 复合固态电解质
无机固态电解质具有多种优点，包括高钠离子传导性、优秀的机械性能、高安全性、宽电化学窗口和热稳定性。然而，它们通常在与电极的兼容性上表现不佳，并且存在较高的界面阻抗问题。相反，聚合物固态电解质表现出良好的柔韧性、强大的可成型性和紧密的界面接触，但面临低温下钠离子传导性低、电化学稳定性差和机械稳定性不足等问题。通过将无机固态电解质或无机填料与聚合物固态电解质结合，可以得到复合固态电解质。聚合物组分可以增强电解质与电极之间的界面兼容性，而无机组分可以降低聚合物的结晶性，从而提高钠离子传导性。因此，复合固态电解质被认为是广泛应用于各种领域的最有前景的系统之一。
图7. 复合固态电解质的性能表现。
【结论】
钠离子电池技术的迅速发展推动了其在各类应用中的采用。然而，广泛部署储能设备也加剧了安全性担忧，这使得开发不燃电解质成为一项至关重要的、极具前景的战略。本综述首先讨论了基本的阻燃机制，以指导电解质设计，随后对不燃液态电解质和固态电解质进行了系统分类和分析，。传统的有机液态电解质本身易燃，其非可燃性通常是通过引入能够有效清除自由基的氟或磷化合物或增加钠盐浓度来实现的。然而，这些方法往往牺牲了电化学性能。水基电解质和离子液体电解质本质上是不燃的。然而，水基电解质面临着较窄的电化学稳定窗口和不希望发生的副反应，而离子液体电解质则面临成本高和粘度大的挑战。固态电解质由于其固有的安全性和可能的高能量密度而受到广泛关注。然而，仍存在挑战，包括室温下离子电导率低、钠枝晶生长以及界面接触不良。此外，目前关于不燃电解质安全性的研究主要局限于点火测试，缺乏全面的安全评估。为了更全面地评估电池安全性，包括机械测试、环境测试和电气测试在内的更全面的表征方法应被应用于SIBs以更深入地表征其安全性。基于当前的研究现状，我们提出了几个未来改进非可燃电解质用于SIBs的视角：
图8. 不燃电解质在SIBs研究与开发中的展望。
【文章链接】
S. Miao, Y. You, Z. Wang, Y. Zhao, H. Fan, X. Ai, Y. Cao and Y. Fang, Non-flammable electrolytes for high-safety sodium-ion batteries, Chem. Soc. Rev., 2025, DOI: 10.1039/D5CS00236B.
【通讯作者介绍】
方永进 武汉大学化学与分子科学学院教授，博士生导师，入选国家级海外青年人才项目、湖北省楚天学者计划。主要研究方向为
锂/钠离子电池电极材料和电解液等，担任InfoMat、InfoScience、J. Energy Chem.、eScience、Carbon Energy、Chin. Chem. Lett.、Rare Met.、Batteries等杂志青年编委。近年来在Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem、Adv. Mater.、Adv. Energy. Mater.、Energy Environ. Sci.、ACS Energy Lett.、Matter、CCS Chem.、Nano Lett.、Adv. Sci.、Carbon Energy等国际学术期刊上发表SCI论文80余篇，引用12000余次，h指数为51，ESI高被引论文25篇，荣获2022-2024连续3年入选科睿唯安“全球高被引科学家”和美国斯坦福大学发布的“全球前2%顶尖科学家”等荣誉。
曹余良 武汉大学化学与分子科学学院教授，博士生导师，教育部长江学者。主要研究方向是电化学能量储存与转化，内容涉及锂离子电池和钠离子电池体系。曾主持了多项国家项目，包括国家重点研发计划“
新能源汽车”领域课题(1项)、973子课题项目(1项)、国家自然科学基金面上项目(4项)和区域重点项目(1项)等。近年来在Nat. Energy、Nat. Nanotech.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Chem、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Energy. Mater.、Nano Lett.、Carbon Energy等国际学术期刊上发表SCI论文300余篇，引用超26000余次，h指数为88，ESI高被引论文23篇，5篇论文曾被选为ESI 1‰热点论文，连续五年入选科睿唯安“全球高被引科学家”。
声明：
“武汉大学方永进&曹余良课题组Chem. Soc. Rev.：高安全钠离子电池不燃电解液研究进展” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
894
编辑：北方有色网
来源：武汉大学
咨询细节
