電解質(zhì)在各種電化學(xué)儲(chǔ)能裝置中發(fā)揮著不可替代的作用，特別是在高能量密度鋰電池中。如果你想購買電池電解液，你首先需要知道電解液需要滿足哪些要求，以實(shí)現(xiàn)電池的良好性能。

 

蓄電池電解液的基本要求

鋰離子電池中使用的電解質(zhì)應(yīng)滿足以下基本要求，這是衡量電解質(zhì)性能必須考慮的因素，也是實(shí)現(xiàn)鋰離子電池高性能、低內(nèi)阻、低價(jià)格、長壽命和安全的重要前提。

① 在較寬的溫度范圍內(nèi)具有較高的離子傳導(dǎo)率，因此大量鋰離子遷移，以減少電池充電和放電過程中的濃度極化。

② 良好的熱穩(wěn)定性，確保電池在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)工作。

③ 寬的電化學(xué)窗口，優(yōu)選0-5V電化學(xué)穩(wěn)定性窗口，以確保電極處的電解質(zhì)不會(huì)發(fā)生明顯的副反應(yīng)，以滿足電化學(xué)過程中電極反應(yīng)的唯一性。

 

 

④ 當(dāng)使用電池電解液代替隔膜時(shí)，它還應(yīng)具有良好的機(jī)械財(cái)產(chǎn)和可加工性能。

⑤ 價(jià)格成本低

⑥ 高安全性、高閃點(diǎn)或無燃燒。

⑦ 無有毒污染，對環(huán)境無危害。

 

鋰離子電池電解液的分類

鋰電池電解質(zhì)根據(jù)電解質(zhì)的存在狀態(tài)可分為液體電解質(zhì)、固體電解質(zhì)和固液復(fù)合電解質(zhì)。

液體電解質(zhì)包括有機(jī)液體電解質(zhì)和室溫離子液體電解質(zhì)。固體電解質(zhì)包括固體聚合物電解質(zhì)和無機(jī)固體電解質(zhì)，固液復(fù)合電解質(zhì)是由固體聚合物和液體電解質(zhì)組成的凝膠電解質(zhì)。

表中比較了不同蓄電池電解液系統(tǒng)的基本財(cái)產(chǎn)。由此可見，不同種類的鋰離子電池電解質(zhì)有各自的優(yōu)點(diǎn)，但也有各自的缺點(diǎn)。

 

電池電解質(zhì)的特性/類型	有機(jī)液體電解質(zhì)	固體聚合物電解質(zhì)	凝膠聚合物電解質(zhì)	室溫離子液體電解質(zhì)	無機(jī)固體電解質(zhì)
狀態(tài)	液體	固體	準(zhǔn)固體	液體	固體
基體特性	流動(dòng)性	韌性	韌性	流動(dòng)性	脆性
Li+的位置	不固定	相對固定	相對固定	不固定	固定
Li+濃度	較低	較高	較低	較低	高
電導(dǎo)率	高	低	高	高	低
安全	易燃	高	高	高	高
價(jià)格	較高	較高	較高	較高	低

 

有機(jī)液體電解質(zhì)

通過將鋰電解質(zhì)溶解在極性非質(zhì)子有機(jī)溶劑中獲得的電解質(zhì)，這種電池電解質(zhì)具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性、低冰點(diǎn)和高沸點(diǎn)，并且可以在寬的溫度范圍內(nèi)使用。

然而，有機(jī)溶劑具有低介電常數(shù)、高粘度、溶解無機(jī)鹽電解質(zhì)的能力差、低電導(dǎo)率，并且對痕量水特別敏感。

有機(jī)液體鋰電池容易泄漏，產(chǎn)品必須使用實(shí)心金屬外殼，型號尺寸固定且缺乏靈活性。有機(jī)溶劑的易燃性導(dǎo)致其安全性差，電池保護(hù)措施必須非常完善。

 

室溫離子液體電解質(zhì)

由特定陽離子和陰離子組成的功能材料或介質(zhì)在室溫或接近室溫時(shí)為液體，具有突出的優(yōu)點(diǎn)，如高電導(dǎo)率、低蒸汽壓、寬液體范圍、良好的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性、無污染和易于回收。

室溫熔鹽可作為鋰離子電池電解液，提高電池在高功率密度下的安全性，徹底消除電池的安全隱患。

從而使得鋰電池在諸如電動(dòng)車輛或其他特殊條件的大型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用成為可能。

 

固體聚合物電解質(zhì)

固體聚合物電池電解質(zhì)具有不可燃性、電極材料之間的低反應(yīng)性和更好的韌性，可以克服液體鋰離子電池的上述缺點(diǎn)：

允許電極材料放電過程中體積變化，比液體電解質(zhì)更耐沖擊、振動(dòng)和變形，易于加工成型。它可以根據(jù)電池的不同需求做出不同的形狀。

 

凝膠電解質(zhì)

將液體增塑劑如PC EC引入聚合物基質(zhì)中以獲得固液復(fù)合凝膠電解質(zhì)。由鋰聚合物化合物和極性有機(jī)溶劑組成的三元電池電解質(zhì)具有固體電解質(zhì)和液體電解質(zhì)的特性。

 

 

無機(jī)固體電解質(zhì)

無機(jī)固體電解質(zhì)是一種具有高離子電導(dǎo)率的固體材料。全固態(tài)鋰離子電池可分為玻璃電解質(zhì)和陶瓷電解質(zhì)。固體電解質(zhì)不僅充當(dāng)電池電解質(zhì)，還可以替代電池中的隔膜。

因此，使用制備的無機(jī)固體電解質(zhì)固態(tài)鋰電池不必?fù)?dān)心泄漏問題，電池可以小型化和小型化。

雖然在這種材料中，鋰離子的遷移量很大，但電解質(zhì)本身的電導(dǎo)率比液體電解質(zhì)小得多。

這種材料對鋰離子電池的電材料具有最高的界面阻抗。此外，無機(jī)固體電解質(zhì)極為脆弱，使得鋰離子電池的抗震性能較差

 

電池電解液對電池性能的影響

電池電解液對鋰離子電池宏觀電化學(xué)性能的影響包括以下幾個(gè)方面：

 

對電池容量的影響

雖然鋰離子電池的電極材料比容量是前提，但電池電解液也在很大程度上影響著電極材料的電解液不可逆容量。

這是因?yàn)殡姌O材料的嵌入和循環(huán)總是與電解質(zhì)相互作用，這種相互作用對電極材料的界面狀態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有重要影響

在鋰離子電池的工作過程中，除了嵌入和移除鋰離子時(shí)在陰極和陽極處發(fā)生的氧化還原反應(yīng)之外。

還有大量的副反應(yīng)，如陰極和陽極上電解質(zhì)的氧化和還原分解，電極上活性物質(zhì)的表面鈍化，以及電極和電解質(zhì)之間的高界面阻抗。

所有這些因素在不同程度上影響電極材料的容量。因此，一些電池電解質(zhì)系統(tǒng)可以使電極材料表現(xiàn)出優(yōu)異的包埋和脫鋰能力，而一些電解質(zhì)系統(tǒng)對電極材料有很大的損傷。

 

對電池內(nèi)阻和速率充放電性能的影響

內(nèi)阻是指通過電池的電流的電阻，包括歐姆內(nèi)阻和電化學(xué)過程中電極的極化電阻。

對于鋰離子電池，內(nèi)阻還應(yīng)包括電極和電解質(zhì)之間的界面電阻。

因此，歐姆內(nèi)阻、電極/電解質(zhì)界面電阻和極化內(nèi)阻之和就是鋰離子電池的總內(nèi)阻，是衡量化學(xué)電源性能的重要指標(biāo)，直接影響電池工作電壓、工作電流、輸出能量和功率。

 

 

電池的歐姆電阻主要是由于電池電解質(zhì)的導(dǎo)電性，但也包括電極材料和隔膜的電阻。

電解質(zhì)部分的傳導(dǎo)機(jī)制是離子傳導(dǎo)，傳導(dǎo)過程的電阻通常遠(yuǎn)大于電子部分的電阻。在鋰離子電池中，電極與電解質(zhì)之間的界面電阻起著重要作用。

鋰離子穿過界面的電阻越大，電池的內(nèi)阻越高。通常，界面電阻顯著高于歐姆電阻。

鋰離子電池、鋰離子層和分層嵌入電極和電解質(zhì)相界面中。這種反應(yīng)發(fā)生的容易程度，即電化學(xué)極化的程度，不僅取決于電極材料的性質(zhì)。

它還與電解質(zhì)和電極材料的界面狀態(tài)、鋰離子在電解質(zhì)中的存在狀態(tài)以及鋰離子與電池電解質(zhì)之間的相互作用有關(guān)。從這個(gè)意義上講，電解質(zhì)系統(tǒng)的性質(zhì)也在一定程度上影響電池的極化電阻

速率充放電性能是衡量鋰離子電池在快速充放電條件下容量保持能力的重要指標(biāo)。

電池的速率充放電性能取決于鋰離子在電極材料中的遷移率、電池電解液的電導(dǎo)率和鋰離子在電解液/電極相界面上的遷移率，后者與電解液成分和財(cái)產(chǎn)密切相關(guān)。

 

對電池工作溫度范圍的影響

由于電極與電池電解質(zhì)界面處電極反應(yīng)的高溫依賴性，在所有環(huán)境因素中，溫度對電池性能的影響最為明顯。

在低溫條件下，電極反應(yīng)速率降低，甚至停止，電池的性能顯著降低，甚至無法正常使用。

當(dāng)溫度升高時(shí)，電極反應(yīng)加劇，但電極/電解質(zhì)界面的副反應(yīng)也加劇，這往往會(huì)對電池造成很大的損害，并影響電池的性能。

 

 

因此，電池的最佳工作溫度應(yīng)該是最有利于電極反應(yīng)而沒有明顯副反應(yīng)的溫度。

液態(tài)鋰離子電池的工作溫度范圍通常為-10-45℃。最低工作溫度一般不低于-20℃，最高工作溫度一般不會(huì)超過60℃。

對于具有液體電解質(zhì)的鋰離子電池，擴(kuò)大工作溫度范圍的主要途徑是擴(kuò)大電解質(zhì)的液路，提高電解質(zhì)在低溫和高溫下的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性。

對于固體電解質(zhì)，為了擴(kuò)大操作溫度范圍，有必要改善電解質(zhì)在室溫甚至低溫下的電導(dǎo)率，并降低電解質(zhì)和電極材料之間的界面阻抗。

 

對電池儲(chǔ)存和循環(huán)壽命的影響

鋰離子電池在長期儲(chǔ)存過程中的老化是影響電池儲(chǔ)存性能的關(guān)鍵。即使從未使用商用鋰離子電池，其存儲(chǔ)壽命也只有3年左右。

電池老化的原因是多種多樣的，包括電極組流體腐蝕和電極活性材料的流體損失。

而電化學(xué)活性的喪失是主要原因，而電池電解液的性質(zhì)和流體腐蝕與電極材料的穩(wěn)定性密切相關(guān)。因此，電解液在很大程度上影響甚至決定電池的存儲(chǔ)壽命

循環(huán)壽命是評估二次電池質(zhì)量的重要指標(biāo)，通常通過電池容量降低到一定值時(shí)的循環(huán)時(shí)間來衡量。

影響鋰離子電池循環(huán)壽命的因素很多，包括電極材料的穩(wěn)定性、電解質(zhì)穩(wěn)定性、充放電速率、充放電深度和溫度等。

對于鋰離子電池，除了正確使用和維護(hù)外，電池循環(huán)壽命短的主要原因如下：

① 在充電和放電過程中，電極活性物質(zhì)的活性表面繼續(xù)減少，電池的實(shí)際電流密度增加，電池的內(nèi)阻逐漸增加。

② 電極集流體的活性物質(zhì)脫落或轉(zhuǎn)移并失去其應(yīng)有的電化學(xué)活性。

③ 在電池運(yùn)行期間，某些材料可能會(huì)在電解液中老化或腐蝕。

④ 隔膜損壞或部分關(guān)閉。

⑤ 由于電極界面處溶液的氣態(tài)或還原反應(yīng)，電池電解液中的雜質(zhì)。

由于上述因素的影響，目前鋰離子電池的正常使用壽命約為2-3年，而上述因素大多與電池電解質(zhì)的特性有關(guān)。

 

 

對電池安全的影響

鋰離子電池通過晶格內(nèi)儲(chǔ)鋰的機(jī)制，取代了傳統(tǒng)鋰二次電池中鋰金屬的溶解和沉積。

這消除了陽極表面枝晶鋰的生長，減少了電池短路的機(jī)會(huì)，但并不能從根本上消除電池的安全隱患。

例如，在過度充電的情況下，液態(tài)鋰離子電池的陽極表面也會(huì)發(fā)生鋰金屬沉積，而在高電位的情況下陰極電極表面會(huì)發(fā)生電解質(zhì)氧化分解，電池中會(huì)發(fā)生一系列不安全的副反應(yīng)。

此外，電池在大電流充電和放電情況下產(chǎn)生的大量熱量無法及時(shí)消散，導(dǎo)致電池溫度快速升高，這也會(huì)給電池帶來顯著的安全問題。

盡管電極材料的穩(wěn)定性、電池電解液的組成以及電池本身的制造工藝和使用條件是影響鋰離子電池安全的主要因素。

但液態(tài)鋰離子電池安全問題的根源仍然是有機(jī)液體電解質(zhì)的揮發(fā)性和高可燃性。因此，對液態(tài)鋰離子電池安全性的研究主要集中在電極材料與電解質(zhì)之間的反應(yīng)及其熱效應(yīng)。

這些研究加深了人們對鋰離子電池中一系列放熱反應(yīng)和燃燒機(jī)理的理解。

然而，為了從根本上消除電池的安全隱患，有必要消除有機(jī)溶劑的可燃性，并開發(fā)更安全或不燃燒的電解質(zhì)系統(tǒng)，特別是對于大型和高功率密度鋰離子電池。

 

對電池自放電性能的影響

鋰離子電池的自充電速率取決于電極材料的類型和結(jié)構(gòu)、電極/電解質(zhì)的界面財(cái)產(chǎn)、電解質(zhì)的組成和電池的生產(chǎn)工藝。

鋰離子電池自放電的主要原因如下：

① 陽極自放電。

陽極的自放電主要由鋰以Li+的形式從陽極釋放或釋放到電池電解液中引起，其速率取決于陽極的表面條件和表面催化活性。

陽極的表面狀況明顯受到電池電解液的影響，因此可以通過優(yōu)化電解液的組成來降低電池的自放電率

② 陰極自放電。

指電池電解液中的鋰離子嵌入陰極材料的晶格中，從而引起陰極自身放電。該速率取決于嵌入陰極的Li+的動(dòng)力學(xué)因素，主要是陰極/電解質(zhì)的界面財(cái)產(chǎn)。

此外，電池電解液中雜質(zhì)的出現(xiàn)也是電池自放電的重要原因，因?yàn)殡s質(zhì)的氧化電位一般低于鋰離子電池的陰極電位，容易在陰極電極表面氧化。

氧化物在陽極中會(huì)被還原，從而不斷消耗陰極和陽極材料的活性物質(zhì)，造成自放電。因此，鋰離子電池對電解質(zhì)成分和純度有很高的要求。

 

對電池過充電和過放電行為的影響

由于鋰離子電池的電解液不能在電池正常工作期間提供防止過充電或過放電的保護(hù)，因此電池防止過充電和過放電的能力非常差。

然而，在一些實(shí)際應(yīng)用條件下，當(dāng)多個(gè)鋰離子電池串聯(lián)使用以獲得更高的電壓時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)明顯的容量失配現(xiàn)象。

而且在充電時(shí)總會(huì)有一些電池過充電，而在放電時(shí)會(huì)有一些電池過度放電。一方面，它會(huì)對電池性能造成不可逆的損害，并影響電池組的壽命。同時(shí)，也給電池帶來了明顯的安全隱患。

電池電解液的改性是防止電池過充放電的重要途徑。為了建立有機(jī)液體電解質(zhì)的內(nèi)部過充放電保護(hù)機(jī)制，需要進(jìn)行更多的研究。

例如，在過充電條件下在陰極處氧化的電解質(zhì)中添加氧化還原穿梭對，減少了陽極表面的氧化劑，從而避免了電池電壓的持續(xù)增加。