新型鋰離子電池用鋰鹽研究

王倩

摘要：鋰離子電池自20世紀90年代實現商品化以來，因其質重量輕、自放電小、無記憶功能等突出優點被廣泛應用于各類電子產品之中，由手機、筆記本電腦等電器所用電池而逐步應用到潛艇、航天及電動車等領域，并取得了快速發展。基于此，文章對新型鋰離子電池用鋰鹽的研究背景和研究內容進行了總結和分析。

關鍵詞：鋰離子電池;鋰鹽;溶劑

1 研究背景

隨著鋰離子電池的迅猛發展，各類工具的實際應用對鋰離子電池的各項性能發揮提出了越來越多的技術要求。諸如高安全性，長循環壽命，兼顧高低溫性能等挑戰日益凸顯，如何解決這些現實的需求，已成為當前鋰離子電池研究與開發的焦點。

鋰離子電池主要由正極、負極、隔膜、電解液和外殼五部分組成。電解液的核心成分是鋰鹽，理想的電解液鋰鹽應具備以下幾點性質：（1）鋰鹽在有機溶劑中有足夠溶解度，締合度小，易于解離，以保證電解液有較好的電導率;（2）陰離子具有較強的氧化和還原穩定性，在電解液中穩定性好，還原產物有利于電極SEI 膜的形成和性能的改善;（3）具有較好的熱穩定及化學穩定性;（4）安全高，環境友好，毒性小;（5）易于制備和純化，生產成本低。常用的無機鋰鹽陰離子半徑都較小，離子締合和離子溶劑化效應也較強，嚴重影響著鋰離子電池的性能。而近年來研究的一些有機鋰鹽在一定程度上克服了諸如半徑小＼穩定性差等一些缺點。

不難發現，為增加鋰鹽在溶劑中的溶解度，需使陰離子電荷較分散，一般引入強吸電子基團。近年來，各種研究也在嘗試各種具有較強共軛效應的大分子基團，但是隨著大基團的引入，溶液的粘度也將隨之增加，溶劑化效益進一步增強，離子對數目也增多，從而使電解液的導電性能降低。開發一種既能使其電荷較分散，溶解度較大，又具有輕質、低粘度，同時兼具化學、電化學穩定性高，高低溫性能和循環性能良好的安全無污染的新型鋰鹽，將是未來鋰鹽發展趨勢。

2 新型鋰離子電池用鋰鹽研究

1.LiBOB

（1）雙草酸硼酸鋰（LiBOB）是一種新型鋰離子電池電解質，化學式為Li[（C2O4）2B]，為配位螯合物，結構式如圖1所示。

BOB-陰離子體積較大，與硼原子相連的草酸根具有強烈的吸電子能力，可以有效分散負電荷，使陰陽離子鍵的作用力減小，降低了與Li+的締合作用，有利于LiBOB在有機溶劑中的溶解及解離。

LiBOB在有機溶劑中具有較高的溶解度、熱穩定性和電導率，且無HF等副產物，不腐蝕電極，環境友好。文獻報道， LiBOB可有效防止LiFSI對鋁集流體的腐蝕，可抑制溶劑PC在石墨負極表面的還原分解，顯著提高MCMB負極在高溫下的穩定性能，同時， LiBOB的高溫性能很好，最大的優點是成膜性好。在各種新型的鋰鹽中，LiBOB是未來最有可能替代LiPF6的鋰鹽之一。因此LiBOB在鋰離子電池電解液中的應用引起關注，于此同時，LiBOB的合成亦成為研究熱點。

LiBOB的合成方法主要有液相法和固相法。液相法根據反應介質可分為水系法、有機溶劑法;固相法根據供能方式，可分為加熱法、微波法。

2.LiDFOB

二氟二草酸硼酸鋰（LiDFOB）也是一種新型的鋰鹽，從分子結構上來看，該鋰鹽是由二草酸硼酸鋰（LiBOB）和四氟硼酸鋰（LiBF₄）的半分子所構成，因此，LiDFOB可被視為一種兼具二者優點的新型鋰鹽（LiBOB優點：成膜性能好，在有機溶劑中溶解度大，高溫性能良好;LiBF4優點：低溫性能良好，熱穩定性高，適合低溫和高倍率放電），非常適合用于鋰離子電池電解液中，是一種潛在的LiPF6的替代品，具有巨大的商業化應用前景和研究價值。不過大量的研究工作還在進行，針對LiDFOB的基本化學性質和電化學性能進行研究，期望能研制出一種成本更低、更穩定的，更適用于其作為鋰離子電池的鋰鹽和添加劑的方法。

3.LiTFSI

二（三氟甲基）磺酰亞胺鋰（LiTFSI），離子半徑大，離子電導率高，其熱分解溫度超過360℃，具有很高的熱穩定性和不易水解的特性，是近幾年來受到廣泛關注的一種電解質鋰鹽。通過對LiTFSI的研究，有望提高電解液的高溫性能，同時減少電解液對鋁箔的腐蝕程度，期望能研制出更適用于其作為鋰離子電池的鋰鹽和添加劑的方法。

3 結論

作為鋰離子電池的重要組成部分，電解質溶液對鋰離子電池性能的影響至關重要，其核心成分電解質鋰鹽對電池性能起決定性作用。電解質鋰鹽按照陰離子不同可分為無機鋰鹽和有機鋰鹽。無機鋰鹽在很多應用方面出現了很多問題，無法滿足需要，如，LiAsF₆在氧化過程中會產生毒性;LiClO₄的強氧化性限制了它的應用;LiBF₄導電性能及循環性能較差，且成膜性不好。

相對于以上鋰鹽來說，無機鋰鹽LiPF₆具有突出的離子電導率、較優的氧化穩定性和較低的環境污染等優點，是目前首選的鋰離子電池電解質。但是，即使傳統LiPF₆鋰鹽已經占據了龐大鋰離子電池電解質市場，LiPF₆不穩定、易于吸水、尤其商業化LiPF₆對水十分敏感、其分解產物含HF、容易腐蝕正極材料和集流體、壽命短、并且低溫性能較差等缺點仍影響了它的發展，同時，諸如此類的因素也很大程度上限制了無機鋰鹽的應用，進而影響鋰離子電池的發展。

隨著使用需求的不斷提高，研究者對新型鋰鹽的研究并未止步，尋找更穩定、電池性能發揮更好，能替代LiPF₆的新型鋰鹽成為當前電池領域的一個研究重點。有機鋰鹽因為有如下優點使其應用得以重視和發展。其陰離子是基于有機強酸共軛堿，擁有強吸電子基團存在，故陰離子穩定，酸性較強。由于吸電子基團的誘導效應使得陰離子易于離域，這將大大增加鋰鹽在溶劑中的解離常數，增大電導率。有機鋰鹽主要有如下幾類：螯合硼陰離子、螯合磷陰離子、全氟膦陰離子、烷基磺酸陰離子、全氟烷基、亞胺基的有機鋰鹽及有機鋁酸鋰鹽。

現階段，大量研究致力于新型鋰鹽的開發及混合鋰鹽的使用，以期最終達到“成本降低、安全提高、效率長久”的目標。隨著全球化石能源的日益緊缺和環境問題的日趨嚴峻，新能源以其特有的清潔和可再生等特點，越來越受到國際社會的廣泛關注。發展新能源對于解決當今世界嚴重的環境污染問題和資源枯竭問題具有重要的意義。