鋰離子電池電解液功能性添加劑的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

程樹國 胡朝鋒 武大中 郭慧芳(河南華瑞高新材料有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引言

鋰離子電池具備工作電壓高，循環(huán)壽命長，自放電小，對外界污染小的優(yōu)勢，已成為一種重要的新型能源，尤其在新能源汽車方面得到廣泛應(yīng)用。添加劑是鋰離子電解液中重要的組成部分，對于電解液的性能具有決定性作用，開展功能性添加劑的研究設(shè)計(jì)，已成為當(dāng)前鋰離子電解液發(fā)展的重要方向。同時(shí)鋰離子電解液溶劑對于電池的溫度應(yīng)用領(lǐng)域和放電倍率具有重要影響，因此對鋰離子電池電解液與功能性添加劑進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用顯得尤為重要。在當(dāng)前鋰離子電池的組成中，需要重視電解液、功能性添加劑以及正負(fù)極材料。電解液作為鋰離子電池的核心組成部分，對于電解液的構(gòu)成進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保電解液的有機(jī)溶劑性能能夠得到優(yōu)化。同時(shí)針對功能性添加劑對電池的比容工作溫度以及循環(huán)安全性能的影響進(jìn)行研究分析確保能夠在鋰離子電池的電解液、功能性添加劑以及正負(fù)極材料上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為鋰離子電池的發(fā)展提供保障。

1 鋰離子電池電解液設(shè)計(jì)分析

1.1 電解液設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在當(dāng)前的鋰離子電池的電解液設(shè)計(jì)分析中，由于有機(jī)溶液作為電解液的主要成分，需要根據(jù)有機(jī)溶液的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行對比分析。在當(dāng)前鋰離子電池的電解液性能中，有機(jī)溶劑的種類涉及到醚類、烴酸酯類以及碳酸酯類。碳酸酯類在電池電解液有機(jī)溶劑中，碳酸酯種類主要涉及到環(huán)狀碳酸酯有機(jī)溶劑與鏈狀碳酸酯有機(jī)溶劑兩大類。環(huán)狀碳酸有碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯兩種，具有鋰鹽溶解能力強(qiáng)，沸點(diǎn)高等特點(diǎn)，常作為基礎(chǔ)的電解液溶劑，尤其碳酸乙烯酯具有較好的負(fù)極成膜能力，是目前電解液的主要溶劑之一。碳酸丙烯酯對石墨剝離，無法大量用于電解液。鏈狀碳酸酯熔點(diǎn)低，黏度低，因此電導(dǎo)率較高，但沸

點(diǎn)較低，不利于電池的高溫性能，因此常與環(huán)狀碳酸酯復(fù)合使用，確保鋰離子電池具備良好的工作范圍與安全性[1]。

1.2 電解質(zhì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

在鋰離子電池的電解質(zhì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)中，由于電解質(zhì)作為電解液主要原料之一，直接對鋰離子電池的成膜性能、倍率放電性能、存儲性能、循環(huán)性能等產(chǎn)生直接影響。電解質(zhì)中的鋰離子性能，決定這電池的物理性能與化學(xué)性能。在鋰離子電池的安全設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要對六氟磷酸鋰進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保能夠優(yōu)化電解液的電解質(zhì)體系，通過對電解液的熱穩(wěn)定以及鋰離子電池循環(huán)進(jìn)行深入研究，確保鋰離子電池的綜合性能得到有效改善[2]。

2 鋰離子電池電解液功能性添加劑優(yōu)化應(yīng)用措施

在當(dāng)前的鋰離子電池電解液功能性添加劑的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用中，其主要可以通過優(yōu)化電解液導(dǎo)電性能，改善電解質(zhì)穩(wěn)定性能，提高電解液工作低溫性能、完善電極膜性能、優(yōu)化電池安全性與電解液循環(huán)穩(wěn)定性的優(yōu)化等五方面。

2.1 優(yōu)化電解液導(dǎo)電性能

在鋰離子電池電解液功能性添加劑的優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要重視電解液的導(dǎo)電性能的提升。在提升電解液的導(dǎo)電性能上，借助冠醚與鋰離子形成的絡(luò)合物，通過提升電解液中鋰離子的溶解度，確保能夠提高大量的游離鋰離子與陰離子，借助鋰離子與陰離子的有效分離，以此提升電解液的導(dǎo)電性能。在鋰離子電解液的導(dǎo)電性能提升中，借助冠醚類混合物的運(yùn)用，不僅實(shí)現(xiàn)電解液導(dǎo)電性提升的作用，同時(shí)也能夠降低鋰離子電池充電過程的溶液切合分析，規(guī)避鋰離子電池電解液的氨離子與鋰離子之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，通過提升鋰離子的配位性能，以此提升電解液的導(dǎo)電性，確保電池充電與放電過程的導(dǎo)電性能，以此實(shí)現(xiàn)電池供電循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化改善[3]。

2.2 優(yōu)化電解質(zhì)穩(wěn)定性能

在鋰離子電池電解液功能性添加劑的優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要改善電解質(zhì)穩(wěn)定性能。在提升電解質(zhì)穩(wěn)定性能當(dāng)中，需要借助高沸點(diǎn)與不易燃的溶劑添加，通過提升電解質(zhì)的穩(wěn)定性，從而保證鋰離子電池工作狀態(tài)的完全穩(wěn)定。借助氟代化合物的高閃點(diǎn)與不易燃的特性，在電解液電解質(zhì)中的添加，能夠有效優(yōu)化電池在放電與充電過程中的性能穩(wěn)定，以此改善有機(jī)電解質(zhì)的穩(wěn)定性。鋰離子電池電解質(zhì)的有機(jī)溶劑借助高介電常數(shù)物質(zhì)的添加，能夠有效地改善添加物的功能性作用。

2.3 優(yōu)化電解液工作低溫性能

在鋰離子電池電解液功能性添加劑的優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要提高電解液工作低溫性能。在鋰離子電池的應(yīng)用上，由于其性能的提升在航天領(lǐng)域以及軍工業(yè)領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用發(fā)展。由于應(yīng)用需求對于鋰離子電池的使用范圍進(jìn)一步的壓縮，導(dǎo)致需要確保鋰離子電池能夠在-40℃的情況下使用，由于當(dāng)前鋰離子電池的電解液其凝固點(diǎn)在-30℃作用，需要在低溫工作性能上進(jìn)行優(yōu)化，確保鋰離子電池能夠在低溫工作領(lǐng)域得到應(yīng)用，從而為鋰離子電池的發(fā)展提供保障。

2.4 優(yōu)化電極膜性能

在鋰離子電池電解液功能性添加劑的優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要完善電極膜性能。由于鋰離子電池的正負(fù)極材料在工作時(shí)，會在電極表面形成鈍化薄膜，通過對于電極膜性能的優(yōu)化，以添加無機(jī)鋰鹽來提升電池的工作性能。例如添加少量的碳酸鋰，不僅能夠抑制電解液在工作期間出現(xiàn)的分解狀況，同時(shí)也能夠確保電極膜更加穩(wěn)定，有效地防止電極石墨的脫離，從而保證電極/電解質(zhì)界面膜的穩(wěn)定性。通過添加一些稀釋溶劑，降低鋰離子電池的電解液，確保電解液能夠在電極膜的性能優(yōu)化下，增大高極化下鋰離子遷移數(shù)，提高電池低溫及倍率性能。

2.5 優(yōu)化電池安全性與電解液循環(huán)穩(wěn)定性

在鋰離子電池電解液功能性添加劑的優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要優(yōu)化電池安全性與循環(huán)穩(wěn)定性。在鋰離子電池的綜合性能優(yōu)化上，需要借助電池添加劑安全性能的改善以及電解液的循環(huán)穩(wěn)定來實(shí)現(xiàn)。鋰離子電池的安全性能優(yōu)化需要在添加劑中提高安全性，借助阻燃物質(zhì)以及高閃點(diǎn)、高沸點(diǎn)的溶劑添加，確保能夠?qū)︿囯x子電池的電壓實(shí)現(xiàn)過充安全保護(hù)。同樣在當(dāng)前的鋰離子電池的安全性能優(yōu)化上，需要在功能性添加劑中應(yīng)氧化還原添加劑與聚合單體添加劑來進(jìn)行阻燃與電壓鉗制，從而確保鋰離子電池的功能添加劑能夠達(dá)到良好的安全性保障。在電解液循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)化中，需要借助功能性添加劑的性能測試進(jìn)行，根據(jù)研究可知，當(dāng)添加劑與電解液形成穩(wěn)定循環(huán)性能上，其電壓電容能夠維持到90%左右。因此在加入功能性添加劑能夠較好改善電池的循環(huán)穩(wěn)定性能，從而加大容量衰減周期，為鋰離子電池的電解液與功能性添加劑的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供保障。

3 新型BFMB材料性能測試驗(yàn)證

在鋰離子電池的電解液與功能性添加劑的優(yōu)化設(shè)計(jì)上，借助BFMB進(jìn)行性能測試。由于BFMB添加劑能夠?qū)﹄娊庖浩鹬粋€(gè)阻燃的作用，因此在鋰離子電池的應(yīng)用上，其可以明顯提升電池充電的時(shí)候電極的熱穩(wěn)定性，通過性能測試，其實(shí)際的優(yōu)化性能如圖1所示。

圖1 BFMB功能添加劑熱穩(wěn)定測試

由圖1可知，在鋰離子電池的電解液中，通過添加BFMB功能性添加劑能夠有效地改良電池的熱穩(wěn)定性，通過對負(fù)極材料的熱穩(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化，對于電池負(fù)極的自加熱過程進(jìn)行優(yōu)化，從而顯著提高鋰離子電解液的熱穩(wěn)定性，從而改善鋰離子電池的熱安全性。同樣通過在鋰離子電池的電解液添加BFMB功能性添加劑，通過進(jìn)行放電充電放電循環(huán)，從而檢驗(yàn)BFMB對于電池的循環(huán)穩(wěn)定性的影響，由于電池能夠在電容上進(jìn)行有效維持，從而保證BFMB添加劑能夠作為鋰離子電池電解液的雙功能添加劑。

4 鋰離子電池發(fā)展趨勢

在鋰離子電池的發(fā)展中，由于其具備的電壓高，放電性能穩(wěn)定以及無污染等特性，受到的了廣泛的應(yīng)用。同樣在鋰離子電池的發(fā)展中，需要完善電池正負(fù)極材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)，借助溶劑凝膠法生產(chǎn)的錳酸鋰，其顆粒大小一致，并且形態(tài)、組成、成本相對容易控制，由于其合成的材料顆粒較小，借助納米技術(shù)，進(jìn)行表面包裹優(yōu)化，能夠確保生產(chǎn)的錳酸鋰電極材料顆粒均勻，其結(jié)晶度能夠滿足鋰離子電池電解液的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同樣在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化鋰離子電池正負(fù)極材料的反應(yīng)條件，確保能夠得到更加優(yōu)異的電機(jī)反應(yīng)材料，從而為鋰離子電池的發(fā)展提供保障。

5 結(jié)語

綜上，在鋰離子電池的電解液優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，需要重視多種有機(jī)溶劑的復(fù)合使用，確保較寬的溫度適應(yīng)性能。同樣在電解質(zhì)的優(yōu)化方面，尋找六氟磷酸鋰的替代鋰鹽或與新型鋰鹽形成復(fù)合鋰鹽，確保鋰離子電池的安全性能與穩(wěn)定性能得到提升。通過添加適當(dāng)?shù)墓δ苄蕴砑觿﹣砀纳其囯x子電池的安全性與使用性能，促進(jìn)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。