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锂电池电解液发展5大趋势解析

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电解液是电池正负极之间起传导作用的离子导体,由电解质锂盐、高纯度的有机溶剂和必要的添加剂等原料以一定的比例配成,在电池的能量密度、功率密度、宽温应用、循环寿命、安全性能等方面扮演着至关重要的角色。


锂电池由外壳、正极、负极、电解液和隔膜组成,其中电极材料无疑是大家关注和研究的焦点。但与此同时,电解液也是不可忽视的一个方面,毕竟占据电池成本15%的电解液也确实在电池的能量密度、功率密度、宽温应用、循环寿命、安全性能等方面扮演着至关重要的角色。


电解液是电池正负极之间起传导作用的离子导体,由电解质锂盐、高纯度的有机溶剂和必要的添加剂等原料以一定的比例配成。


随着人们对新能源汽车动力电池各项性能的要求不断提高,锂电池不断迭代升级,开始步入高镍三元时代成为一个不争的事实。然而,如果电解液不能随电池材料同步升级,高镍三元体系就很难实现其设计初衷。


正极材料中镍的比例不断提升,以及硅碳负极的使用,给电解液的研发和生产带来新的困扰。


随着动力电池能量密度的提升,电压也会随之提高,电压越高,电解液的分解能力则越强。针对高镍三元体系,电解液企业专门做过漏电流(即通过绝缘体流过的电流)和过渡金属离子溶出的测试。测试结果表明,提高动力电池正极材料中的镍含量,过渡金属离子的溶出会增加。而溶出的过渡金属离子在负极被还原析出后,会破坏负极表面的SEI膜。此外,提高电压还会明显增大漏电流。这样动力电池在高温环境下的存储性能和循环性能就会受到影响,同时材料中镍含量的提高也会导致动力电池的安全性能下降。


高镍材料与电解液配合使用所出现的这些问题,解决起来比较复杂,技术门槛高。如果企业没有足够的研发实力,很难做好与高镍材料相匹配的电解液产品。



1、  高比能量型电解液


追求高比能量是目前锂离子电池最大的研究方向,尤其是移动设备在人们生活中所占有的比重越来越多的时候,续航,成为了电池最为关键的性能。

图片来源: 北京化学试剂研究所


如图所示,未来高能量密度电池的发展必然是高电压正极、硅负极。负极硅具有庞大的克容量而被人们关注,但是由于自身的溶胀作用导致其无法应用,近年来研究方向已经转变为硅碳负极,其具有相对较高的克容量以及较小的体积变化,不同的成膜添加剂在硅碳负极方面的循环效果不同。


图片来源: 北京化学试剂研究所


2、  高功率型电解液


目前,商品化的锂电子电池很难实现高倍率持续放电,主要原因是电池极耳发热严重,内阻导致电池的整体温度过高,容易发生热失控。因此,需要电解液在保持高电导率的情况下能抑制电池升温过快。而对于动力电池,实现快充也是电解液发展的一个重要方向。


高功率电池不仅对电极材料提出了高固相扩散、纳米化使离子迁移路径短、控制极片厚度和压实等要求,也对电解液提出了更高的要求:1、高解离度电解质盐;2、溶剂复合-粘度更低;3、界面控制-膜阻抗更低。


3、宽温型电解液


电池在高温时容易发生电解液自身分解以及材料与电解液件的副反应加剧;而在低温时则可能会有电解质盐析出和负极SEI膜阻抗成倍增加。所谓宽温电解液就是使电池拥有更加宽泛的工作环境。下图为各类溶剂的沸点对比图及凝固对比图。


图片来源: 北京化学试剂研究所


4、  安全性电解液


电池的安全主要体现在燃烧甚至爆炸上,首先电池本身就具有可燃性,因此当电池过充、过放、短路时,当收到外界的针刺、挤压时,当外界温度过高时,都可能引发安全事故。因此,阻燃是安全型电解液研究的一个主要方向。


阻燃功能是在常规电解液中加入阻燃添加剂获得的,一般采用磷系或卤系阻燃剂,要求阻燃添加剂价格合理且不损害电解液性能。此外,采用室温离子液体作为电解液也已进入研究阶段,将完全排除易燃的有机溶剂在电池中的使用。并且离子液体具有蒸气压极低、热稳定/化学稳定性好、不易燃等特点,将大幅提高锂离子电池的安全性。


5、  长循环型电解液


由于目前锂电池的回收,尤其是动力电池的回收还存在较大的技术困难,因此提高电池的寿命是缓解这一现状的一种方式。


长循环型电解液的研究思路主要有两点,一是电解液的稳定性,包括热稳定性、化学稳定性、电压稳定性;二是与其他材料的稳定性,要求与电极成膜稳定,与隔膜无氧化,与集流体无腐蚀。


※声明:本文来源于旺材锂电


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