锂离子电池的工作原理是锂离子在正负极之间移动,电解液作为传输介质主要负责在正、负极之间输送和传导Li+离子,是锂离子电池的重要组成部分。它对电池的储存和使用寿命、内阻与功率特性、充放电效率、自放电、使用的温度范围和安全性能等至关重要。根据电解质的存在状态可分为液体电解质和固体电解质,后者又可细分为有机聚合物电解质、无机固体电解质和凝胶态电解质。一般而言,应用于锂离子电池电解质的材料应当具备以下基本要求:
(1)具有足够高的离子电导率和锂离子迁移数,电导率一般应达到10-3~10-2S/cm,Li+迁移数尽可能高,以降低锂离子电池在充放电过程中的浓差极化效应,让锂离子快速移动,降低内阻,这样电池才能有好的倍率性能。
(2)化学稳定性好,即电解质自身,电解质与电极材料、隔膜以及电极表面的SEI膜等在储存或者在过充或者短路时的情况下不发生化学反应。在温度较高的时候,这些变化都会加速,所以电解质材料还需要体现出良好的热稳定性,以保证电池在合适的温度范围内工作。采用阻燃溶剂(如磷酸酯类)或添加剂(如氟代碳酸酯)降低燃烧风险。
(3)电化学稳定性高,电解质最好能够在较宽的电位范围内(例如0~5V)保持稳定,以保证电解质在两个电极表面不发生显著的副反应,或者能够在电极表面形成稳定的钝化膜,这个性质在高压电池体系尤为重要。高压正极(如NMC811、富锂锰基)需要电解液耐受>4.5 V的电压,通常需添加成膜添加剂(如LiBOB、DTD)或采用新型锂盐(如LiFSI)
(4)液体电解质粘度和表面张力适当,以利于与电极和隔膜的浸润;固体电解质代替隔膜使用时,还要求具有良好的可加工和力学性能。
(5)低毒,对环境友好,在限定的使用范围内不燃烧、不爆炸、安全性好。
(6)产业化制备成本低。
实际上已经商品化或者正在研究中的电解质体系一般很难同时满足上述要求。液态电解质体系在小型锂离子电池上已经得到了广泛的应用,凝胶态固体电解质也积累了丰富的产业经验。但是随着动力电池、大型储能设备的快速发展,传统电解质随之碰到了严峻的瓶颈问题,与之相配套的电解质材料成为了当前新能源领域研究的重点和热点。其中包括高闪点、难燃的新型溶剂、化学稳定性高的导电锂盐以及各种功能化的添加剂等。
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