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                  鋰離子電池電解質的分析探討

                  摘要: 關鍵字:鋰離子 電池 電解質 電解質是構成手機、筆記本、錄像機等攜帶機器的能源的鋰二次電池和鋰一次電池容量的核心物質之 一,并且提高移動陽極和陰極之間的流動性,起著媒質作用的物質。本論文針對鋰離子電解質的分類、特性、預充電條件、安全性能幾個方面進行闡述。 1.鋰離子電池電解質的分類 電解質在正負極間起著傳遞電荷作用,應該對離子導電、對電子絕緣。它對電池循環性能、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,電解質的組成至少涉及兩方面:溶劑和鋰鹽。 A.液體電解質 對溶劑的選擇主要基于三個方面的性質要求.即介電常數、粘度及溶劑的電子施主性質。一般說來,高介電常數有利于鋰鹽的離解,同時強的電子施主能力將有利于電解質鹽的溶解。所謂溶劑的電子施主性質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。常見的有機溶劑有醚(ether)、烷基碳酸脂(alkyl carbonate)、內脂(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: 與正負極材料有良好穩定性(兼容性),也就是說,在存儲期間,電解質與活性物質界面電化學反應速度小,使電池的自放電容量損失減至最少;比電導率高,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),己在商業電池中廣泛使用,有較高的電導率且對碳材料有較好的兼容性,缺點是價格相對昂貴,固態時穩定性較差,對水十分敏感。三氟甲基磺酸鋰LiCF3SO2,有較好的穩定性,但其電導率僅為基于LiPF6的液體電解質的一半。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,其電導率可以和甚干LiPF6電解質相比擬,穩定性超過FLiCF3SO2。 B.固體電解質 固體電解質,又稱“超離子導體”或“快離子導體”。 是指離子電導率接近(或在某些情況下超過)熔翻和電解質溶液的一類固體離子導電材料。是一類介于固體和液體之間的奇特固體材料,是物質的一個異常狀態,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構(排列)。這種液一固二相性,以及它在能源(包括產生,貯存和節能等幾個環節)、冶金、環保、電化學器件等各個領域的廣闊應用前景,區而引起了物理學家、化學家和和材料學家的廣泛重視. 聚合物固體電解質是由含有可溶劑化極性基團的聚合物與鹽絡合形成的固體電解質材料。它除了顯示出半導體、離子溶液等常見電導體系的性質外,還具有無機固體電解質所不及的可塑性,這一特性使聚合物固體電解質在應用上表現了三大優越性: 任意形狀及厚度的薄膜。所以盡管聚合物電解質的室溫電導率不高,較無機的低2~3個數量級,由于加工成很薄的膜,使電池內阻大大降低,從而可通過提高面積/厚度比值來補償電導的偏低;緊密性-與電極完整的接觸,使充放電電流增大;應性-在充放電過程中能很好地承受壓力的變化,適應電極體積變化。聚合物固體電解質質輕、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出的電化學穩定性為其應用開創了更廣泛的前景。目前國內外的科學家們正致力于使它能應用在能源貯存、電化學元件、傳感器等多方面的研究,在高比能鋰電池的研制進程中已成為最強有力的競爭者。 2.電解質的組成成份及特性 電解液是鋰離子電池四大關鍵材料(正極、負極、隔膜、電解液)之一,號稱鋰離子電池的“血液”,在電池中正負極之間起到傳導電子的作用,是鋰離子電池獲得高電壓、高比能等優點的保證。電解液一般由高純度的有機溶劑、電解質鋰鹽(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;高效率的離子導電度;高的透導率(自由離子的數越多,離子導電度越低);低粘度(自由離子的移動的容易性);低凝固點。 3.電解液預充電的目的及條件 為了提高電池的安全性能,防止過充電及熱露出;增強容量及提高壽命我們要進行電解液的注入,同時要對電解液進行預充電,其目的是為了增進電解液含浸性;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,在預充電投入之前,為電解液被吸入設定等待時間。平均等待時間設定為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行預充電。 以靜電流方式進行充電;充電快要完畢時,根據電壓、電流、充電容量判定出是否良品;各型號產品充電條件大不相同, 4.電解液的安全性能 在液態鋰離子電池首次充電過程中,負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計算結果,其作用主要是抑制電解液的分解,使石墨負極形成良好的SEI膜,提高電極可逆容量和穩定性。另外還可以通過添加過充保護添加劑和高沸點高閃點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院文獻信息中心主辦的《環球市場信息導報》雜志總第445期 2012年第08期(2月28 日出版) [1]莊全超,武 山,劉文元等,鋰離子電池有機電解液研究[J].電化學,2001.07 [2]卜 源,馬曉華,楊清等.電池,2006.36 [3]張 勇,胡信國,張翠芬等,有機溶劑對鋰離子電池性能的影響[J].電池,2004.34
                  新聞關鍵字:電解質
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