鋰離子電池的電解質(zhì)

1、鋰離子電池的電解質(zhì)目前使用和研究的電解質(zhì)包括液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)凝膠型聚合物電解質(zhì)和全固態(tài)電解質(zhì)而商品化的鋰離子電池多數(shù)使用液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)和凝膠型聚合物電解質(zhì)有機(jī)電解液是由有機(jī)溶劑和電解質(zhì)鋰鹽組成的非水液體電解質(zhì)用于鋰離子電池體系的液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)應(yīng)滿足以下要求:(1)鋰離子電導(dǎo)率高,在較寬的溫度范圍內(nèi)電導(dǎo)率在310-3210-2S/cm;(2)電化學(xué)窗口寬,即在較寬的電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定(對于鋰離子電池而言,要穩(wěn)定在4.5V)而不發(fā)生分解反應(yīng),即具有良好的氧化穩(wěn)定性;(3)化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng),即與電池體系的電極材料如正極負(fù)極集流體隔膜膠黏劑等基本不發(fā)生反應(yīng);(4)在較寬的溫度范圍內(nèi)保證成液態(tài),一般溫度范圍為-4

2、0 +70;(5)對離子具有較好的溶劑化性能;(6)沒有毒性,蒸氣壓低,使用安全;(7)能盡量促進(jìn)電極可逆反應(yīng)的進(jìn)行,與電極之間有良好的相容性;(8)制備容易,成本低（一）液體電解質(zhì)電解質(zhì)的選用對鋰離子電池的性能影響非常大,它必須是化學(xué)穩(wěn)定性好尤其是在較高的電位下和較高溫度環(huán)境中不易發(fā)生分解,具有較高的離子導(dǎo)電率( 10-3S/cm),而且正負(fù)極材料必須是惰性的不能腐蝕電極由于鋰離子電池充放電電位較高而且陽極材料嵌有化學(xué)活性較大的鋰,所以電解質(zhì)必須采用有機(jī)化合物而不能含有水但有機(jī)物離子導(dǎo)電率都不好,所以要在有機(jī)溶劑中加入可溶解的導(dǎo)電鹽以提高離子導(dǎo)電率目前鋰離子電池主要是用液態(tài)電解質(zhì),其溶劑為無

3、水有機(jī)物,如 EC(ethylcarbonate)PC(propylenecarbon-ate)DMC(dimethylcarbonate)DEC(diethylcarbonate),多數(shù)采用混合溶劑,如 EC2DMC和PC2DMC等導(dǎo)電鹽有 LiClO4LiPF6LiBF6LiAsF6和 LiOSO2CF3,它們導(dǎo)電率大小依次為LiAsF6LiPF6LiClO4LiBF6LiOSO2CF3LiClO4因具有較高的氧化性容易出現(xiàn)爆炸等安全性問題,一般只局限于實(shí)驗(yàn)研究中;LiAsF6離子導(dǎo)電率較高易純化且穩(wěn)定性較好,但含有有毒的As,使用受到限制;LiBF6化學(xué)及熱穩(wěn)定性不好且導(dǎo)電率不高;LiO

4、SO2CF3導(dǎo)電率差且對電極有腐蝕作用,較少使用;雖然LiPF6會發(fā)生分解反應(yīng),但具有較高的離子導(dǎo)電率,因此目前鋰離子電池基本上是使用 LiPF6目前商用鋰離子電池所用的電解液大部分采用LiPF6的EC2DMC,它具有較高的離子導(dǎo)電率與較好的電化學(xué)穩(wěn)定性（二）固體電解質(zhì)將金屬鋰直接用做陽極材料具有很高的可逆容量,其理論容量高達(dá)3862mAh/g,是石墨材料的十幾倍,價格也較低,被看做新一代鋰離子電池最有吸引力的陽極材料,但會產(chǎn)生枝晶鋰采用固體電解質(zhì)作為離子的傳導(dǎo)可抑制枝晶鋰的生長,使得金屬鋰用做陽極材料成為可能此外使用固體電解質(zhì)可避免液態(tài)電解質(zhì)漏液的缺點(diǎn),還可把電池做成更薄(厚度僅為0.1mm

5、)能量密度更高體積更小的高能電池破壞性實(shí)驗(yàn)表明固態(tài)鋰離子電池使用安全性能很高,經(jīng)釘穿加熱(200)短路和過充(600%)等破壞性實(shí)驗(yàn),液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池會發(fā)生漏液爆炸等安全性問題,而固態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池除內(nèi)溫略有升高外( 20)并無任何其他安全性問題出現(xiàn)固體聚合物電解質(zhì)具有良好的柔韌性成膜性穩(wěn)定性以及成本低等特點(diǎn),既可作為正負(fù)電極間隔膜又可作為傳遞離子的電解質(zhì)固體聚合物電解質(zhì)一般可分為干形固體聚合物電解質(zhì)(SPE)和凝膠聚合物電解質(zhì)(GPE)SPE固體聚合物電解質(zhì)主要還是基于聚氧化乙烯(PEO),其缺點(diǎn)是離子導(dǎo)電率較低,在100下只能達(dá)到10-40S/cm在SPE中離子傳導(dǎo)主要是發(fā)生在無定形

6、區(qū),借助聚合物鏈的移動進(jìn)行傳遞遷移PEO容易結(jié)晶是由于其分子鏈的高規(guī)整性,而晶形化會降低離子導(dǎo)電率因此要想提高離子導(dǎo)電率,一方面可通過降低聚合物的結(jié)晶度,提高鏈的可移動性;另一方面可通過提高導(dǎo)電鹽在聚合物中的溶解度利用接枝嵌段交聯(lián)共聚等手段來破壞高聚物的結(jié)晶性能,可明顯地提高其離子導(dǎo)電率此外加入無機(jī)復(fù)合鹽也能提高離子導(dǎo)電率在固體聚合物電解質(zhì)中加入高介電常數(shù)低相對分子質(zhì)量的液態(tài)有機(jī)溶劑(如PC),則可大大提高導(dǎo)電鹽的溶解度,所構(gòu)成的電解質(zhì)即為 GPE凝膠聚合物電解質(zhì),它在室溫下具有很高的離子導(dǎo)電率,但在使用過程中會發(fā)生析液而失效凝膠聚合物鋰離子電池已經(jīng)商品化（三）凝膠型電解質(zhì)凝膠型聚合物電解質(zhì)主要成分與液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)基本相同,只是將液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)吸附在凝膠狀的聚合物基質(zhì)上,因此除了需具備以上條件外,還應(yīng)具備與電極活性物質(zhì)之間的黏結(jié)性好(所有的溶劑均固定在聚合物基體中,不存在自由有機(jī)溶劑,以保證不發(fā)