鋰離子電池電解質(zhì)的分析探討

電解質(zhì)是構(gòu)成手機(jī)、筆記本、錄像機(jī)等攜帶機(jī)器的能源的鋰二次電池和鋰一次電池容量的核心物質(zhì)之 一，并且提高移動陽極和陰極之間的流動性，起著媒質(zhì)作用的物質(zhì)。本論文針對鋰離子電解質(zhì)的分類、特性、預(yù)充電條件、安全性能幾個方面進(jìn)行闡述。

1.鋰離子電池電解質(zhì)的分類

電解質(zhì)在正負(fù)極間起著傳遞電荷作用，應(yīng)該對離子導(dǎo)電、對電子絕緣。它對電池循環(huán)性能、操作溫度范圍、電池的耐用程度有著極為重要的影響。對于鋰離子電池而言，電解質(zhì)的組成至少涉及兩方面:溶劑和鋰鹽。

A.液體電解質(zhì)

對溶劑的選擇主要基于三個方面的性質(zhì)要求.即介電常數(shù)、粘度及溶劑的電子施主性質(zhì)。一般說來，高介電常數(shù)有利于鋰鹽的離解，同時強(qiáng)的電子施主能力將有利于電解質(zhì)鹽的溶解。所謂溶劑的電子施主性質(zhì)是溶劑分子所固有的失電子能力，其能力大小決定了電解質(zhì)陽離子的溶劑化能力的高低。低的粘度可以增加離子的流動性，有助于提高電導(dǎo)率。

目前通常使用兩種或兩種以上溶劑混合而成的二元、多元混合溶劑。常見的有機(jī)溶劑有醚(ether)、烷基碳酸脂(alkyl carbonate)、內(nèi)脂(lactone)、縮酮(ketal)等。

鋰鹽主要用來提供有效載流子。選擇鋰鹽，一般遵循以下幾個原則：

與正負(fù)極材料有良好穩(wěn)定性(兼容性)，也就是說，在存儲期間，電解質(zhì)與活性物質(zhì)界面電化學(xué)反應(yīng)速度小，使電池的自放電容量損失減至最少;比電導(dǎo)率高，溶液的歐姆壓降小;安全性能高，無毒，無污染。

常用的鋰鹽有如下幾種:六氟砷酸鋰(LiPF6)，在充放電過程中LIAsF6會釋放出有毒砷化物，而且價格相對昂貴。六氟磷酸鋰(LiPF6)，己在商業(yè)電池中廣泛使用，有較高的電導(dǎo)率且對碳材料有較好的兼容性，缺點(diǎn)是價格相對昂貴，固態(tài)時穩(wěn)定性較差，對水十分敏感。三氟甲基磺酸鋰LiCF3SO2，有較好的穩(wěn)定性，但其電導(dǎo)率僅為基于LiPF6的液體電解質(zhì)的一半。四氟硼酸鋰(LiBF4)、高氯酸鋰(LiCl04)都是廣泛使用的鹽。但是，含高氯酸鋰類亞胺基鋰鹽，典型的是雙氟磺酞亞胺鋰(LiN(CF3 SO2)2，其電導(dǎo)率可以和甚干LiPF6電解質(zhì)相比擬，穩(wěn)定性超過FLiCF3SO2。

B.固體電解質(zhì)

固體電解質(zhì)，又稱“超離子導(dǎo)體”或“快離子導(dǎo)體”。

是指離子電導(dǎo)率接近(或在某些情況下超過)熔翻和電解質(zhì)溶液的一類固體離子導(dǎo)電材料。是一類介于固體和液體之間的奇特固體材料，是物質(zhì)的一個異常狀態(tài)，其中有一些原子(離子)，有接近于液體的遷移率，而其它原子則保持其空間結(jié)構(gòu)(排列)。這種液一固二相性，以及它在能源(包括產(chǎn)生，貯存和節(jié)能等幾個環(huán)節(jié))、冶金、環(huán)保、電化學(xué)器件等各個領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景，區(qū)而引起了物理學(xué)家、化學(xué)家和和材料學(xué)家的廣泛重視.

聚合物固體電解質(zhì)是由含有可溶劑化極性基團(tuán)的聚合物與鹽絡(luò)合形成的固體電解質(zhì)材料。它除了顯示出半導(dǎo)體、離子溶液等常見電導(dǎo)體系的性質(zhì)外，還具有無機(jī)固體電解質(zhì)所不及的可塑性，這一特性使聚合物固體電解質(zhì)在應(yīng)用上表現(xiàn)了三大優(yōu)越性:

任意形狀及厚度的薄膜。所以盡管聚合物電解質(zhì)的室溫電導(dǎo)率不高，較無機(jī)的低2～3個數(shù)量級，由于加工成很薄的膜，使電池內(nèi)阻大大降低，從而可通過提高面積/厚度比值來補(bǔ)償電導(dǎo)的偏低;緊密性-與電極完整的接觸，使充放電電流增大;應(yīng)性-在充放電過程中能很好地承受壓力的變化，適應(yīng)電極體積變化。聚合物固體電解質(zhì)質(zhì)輕、耐壓、抗震、耐疲勞、無毒無腐蝕以及與電極組成電池時所表現(xiàn)出的電化學(xué)穩(wěn)定性為其應(yīng)用開創(chuàng)了更廣泛的前景。目前國內(nèi)外的科學(xué)家們正致力于使它能應(yīng)用在能源貯存、電化學(xué)元件、傳感器等多方面的研究，在高比能鋰電池的研制進(jìn)程中已成為最強(qiáng)有力的競爭者。

2.電解質(zhì)的組成成份及特性

電解液是鋰離子電池四大關(guān)鍵材料(正極、負(fù)極、隔膜、電解液)之一，號稱鋰離子電池的“血液”，在電池中正負(fù)極之間起到傳導(dǎo)電子的作用，是鋰離子電池獲得高電壓、高比能等優(yōu)點(diǎn)的保證。電解液一般由高純度的有機(jī)溶劑、電解質(zhì)鋰鹽(六氟磷酸鋰，LiFL6)、必要的添加劑等原料，在一定條件下，按一定比例配制而成的。

電解質(zhì)主要有以下幾大特性：耐還原性和耐氧化性;高效率的離子導(dǎo)電度;高的透導(dǎo)率(自由離子的數(shù)越多，離子導(dǎo)電度越低);低粘度(自由離子的移動的容易性);低凝固點(diǎn)。

3.電解液預(yù)充電的目的及條件

為了提高電池的安全性能，防止過充電及熱露出;增強(qiáng)容量及提高壽命我們要進(jìn)行電解液的注入，同時要對電解液進(jìn)行預(yù)充電，其目的是為了增進(jìn)電解液含浸性;為去除水分.減少電池的厚度;充電之后，在高溫下幫助皮膜形成。電解液注入后，在預(yù)充電投入之前，為電解液被吸入設(shè)定等待時間。平均等待時間設(shè)定為30分鐘左右。為讓電解液充分被吸入，等待一定時間后，對已注入電解液的電池芯進(jìn)行預(yù)充電。

以靜電流方式進(jìn)行充電;充電快要完畢時，根據(jù)電壓、電流、充電容量判定出是否良品;各型號產(chǎn)品充電條件大不相同，

4.電解液的安全性能

在液態(tài)鋰離子電池首次充電過程中，負(fù)極材料石墨與電解液首次作用形成SEI膜，良好的SEI膜能夠改善電池的安全性能，以下是使用Vinylene carbonate(VC)作為添加劑的的量子化學(xué)計算結(jié)果，其作用主要是抑制電解液的分解，使石墨負(fù)極形成良好的SEI膜，提高電極可逆容量和穩(wěn)定性。另外還可以通過添加過充保護(hù)添加劑和高沸點(diǎn)高閃點(diǎn)的阻燃劑作為電解液的添加劑，從而確保安全性能。該文原載于中國社會科學(xué)院文獻(xiàn)信息中心主辦的《環(huán)球市場信息導(dǎo)報》雜志總第445期 2012年第08期(2月28 日出版)

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