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关于锂电池电解液,全面的一篇干货解读

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序言:对于新型水系电解液的开发,一直没间断,近期北大深研院潘锋团队就进行了水系电解液开发,并取得了新突破。

在传统电池中,通常使用水作为溶剂的电解液体系,但是由于水的理论分解电压为1.23V,考虑到氢或氧的过电位,以水为溶剂的电解液体系的电池电压最高也只有2V左右(例如铅酸电池);在锂离子电池中,电池的工作电压通常高达3~4V,传统的水溶液已不再适用,因此必须采用非水电解液体系作为锂离子电池的电解液。其中非水有机溶剂是电解液的主体成分。

但对于新型水系电解液的开发,一直没间断,近期北大深研院潘锋团队就进行了水系电解液开发,并取得了新突破。

关于锂电池电解液,全面的一篇干货解读

一、电解液的主要成分

电解液主要由三部分构成:

(1)溶剂:环状碳酸酯(PC、EC);链状碳酸酯(DEC、DMC、EMC);羧酸酯类(MF、MA、EA、MA、MP等);(用于溶解锂盐)

(2)锂盐:LiPF6、LiClO4、LiBF4、、LiAsF6等;

(3)添加剂:成膜添加剂、导电添加剂、阻燃添加剂、过充保护添加剂、控制电解液中H2O和HF含量的添加剂、改善低温性能的添加剂、多功能添加剂;

用于锂离子电池的电解质应该满足以下基本要求:

a.高的离子电导率,一般应达到1x10-3~2x10-2 S/cm;

b.高的热稳定性和化学稳定性,在较宽的电压范围内不发生分离;

c.较宽的电化学窗口,在较宽的电压范围内保持电化学性能的稳定;

d.与电池其他部分例如电极材料、电极集流体和隔膜等具有良好的相容性;

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e.安全、无毒、无污染性。

主要溶剂组分理化参数

关于锂电池电解液,全面的一篇干货解读

主要溶剂组分充电过程中的反应

关于锂电池电解液,全面的一篇干货解读

几种常用锂盐的简单性能对比

LiBF4:低温性能比较好,但是价格昂贵和溶解度比较低;

LiPF6:综合性能比较好,缺点是易吸水水解;

LiAsF6:综合性能比较好,但是毒性太大;

LiClO4:综合性能比较好,但是强氧化性导致安全性不高;

LiBOB:高温性能比较好,尤其能拟制溶剂对负极的插入破坏,但是溶解度太低。

电解质锂盐在充电过程中的反应

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电解质锂盐的一些理化参数

关于锂电池电解液,全面的一篇干货解读

二、电解液添加剂主要分类

成膜添加剂

优良的SEI膜(固体电解质薄膜)具有有机溶剂不容性,允许锂离子自由的进出电极而溶剂分子无法穿越,从而阻止溶剂分子共插对电极的破坏,提高电池的循环效率和可逆容量等性能。

其主要分为无机成膜添加剂(SO2、CO2、CO等小分子以及卤化锂等)和有机成膜添加剂(氟代、氯代和溴代碳酸酯等,借助卤素原子的吸电子效应提高中心原子的得电力能力,使添加剂在较高的电位条件下还原并有效钝化电极表面,形成稳定的SEI膜。)另有Sony公司专利报道,在锂离子电池非水电解液中加入微量苯甲醚或其卤代衍生物,能改善电池的循环性能,减少电池不可逆容量的损失。

导电添加剂

对提高电解液导电能力的添加剂的研究主要着眼于提高导电锂盐的溶解和电离以及防止溶剂共插对电极的破坏。

其按作用类型可分为与阳离子作用型(主要包括一些胺类和分子中含有两个氮原子以上的芳香杂环化合物以及冠醚和穴状化合物)、与阴离子作用型(阴离子配体主要是一些阴离子受体化合物,如硼基化合物)及与电解质离子作用型(中性配体化合物主要是一些富电子基团键合缺电子原子N或B形成的化合物,如氮杂醚类和烷基硼类)。

阻燃添加剂

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