电解液:为电池安全“保驾护航”

2018年08月02日08:54  来源:科技日报
 

生活中电池无处不在,特别是锂电池应用十分广泛,正急速渗透汽车、储能、航空航天及军工等领域。因此,各国将提升动力电池的性能列为研究热点之一。

据外媒报道,美国研究人员在最新一期英国《自然·纳米技术》上发表论文称,使用高度氟化的电解液可大幅提高电池储电能力和耐用性,未来或可推动电动汽车行业的进一步发展。由此看来,电解液在电池研发过程中起着相当重要的作用,那么,当今研制电解液的挑战在哪里,有何路径,科学家近些年创造性获得过哪些性能不错的电解液?带着问题,科技日报记者采访了多年从事电化学储能材料和器件研究的清华大学深圳研究生院能源环境学部副研究员贺艳兵博士。

安全隐患成研制中主要挑战

“电解液被喻为锂离子电池的‘血液’,担负电池充放电过程离子输运任务,具有不可替代的作用。其一般由高纯度有机溶剂、电解质锂盐(六氟磷酸锂等)、添加剂等原料组成。”贺艳兵告诉记者。

以锂离子电池为例,电解液是四大关键材料(正极、负极、隔膜、电解液)之一,在电池中正负极之间起到传导锂离子的作用,换言之,没有它的输运,电池就不能进行充放电。贺艳兵指出,目前使用的电解液是可燃性体系,粘度越小、离子输运能力越强,离子电导能力越高。锂电池负极表面有叫固态电解质界面(SEI)膜的保护薄层,其对负极循环稳定性至关重要,也对电池安全性有很大影响;而电解质的组分决定SEI膜的性质,对电池循环稳定性和安全性有重要影响。

贺艳兵说,科研人员在努力提升动力电池的高能量密度和快充速度,但是在追求这两个指标的过程中,对电池循环体系会带来安全性隐患,这也正是研制电池电解液的挑战。

这种挑战主要表现在两个方面,一是通过电池电压升高增加电池能量密度,如果让电池充电从4.2伏提高到4.5伏甚至更高,电解液耐高压能力不适配,就会被氧化分解,放出的热量使电池温度升高,并产生大量气体;而在高温下,一旦负极表面SEI膜分解破坏后,裸露负极与电解液发生放热反应,电池温度会进一步升高,引起电解液与正极材料、粘结剂热反应,可能会引起电池爆炸。

二是电池在快速充电过程中会发热,锂离子从正极到负极时,负极吸收速度较慢,这样锂离子鱼贯而入不能快速嵌入石墨负极,犹如一群人拥堵在门口,锂析出来后便会沉积在SEI膜表面,形成锂金属,甚至会把负极外表面SEI膜破坏。

高度氟化只为增加阻燃性

贺艳兵指出,开发耐高压电解液、阻燃电解液、低温电解液,以及优化SEI膜等,是目前电池电解液的重要研究方向。

采用易燃有机电解液的锂离子电池,一直制约着锂二次电池(又称为充电电池或蓄电池)向电动汽车和大规模储能领域发展。近日,武汉大学化学与分子科学学院曹余良教授团队与美国西北太平洋国家实验室,共同在《自然·能源》在线发表关于非燃磷酸酯电解液在锂离子电池应用的研究成果。贺艳兵对此解释说:“这项研究一改在电解液中添加阻燃剂,提出直接用非可燃溶剂磷酸三乙酯,能够同时保证电池的优异电化学和安全性能。”

而美国马里兰大学、陆军研究实验所和阿尔贡国家实验室等机构,以化学性质极不稳定的锂金属为负极制备一种电池,配以高氟电解液,可实现充放电多达千次,储电能力仅下降到最初的93%。

贺艳兵告诉记者,高氟电解液除了增加阻燃性之外,还优化了SEI膜,免除电解液的腐蚀作用,提高电池的安全性,延长使用寿命。这种电池可使纯电动车安全稳定行驶里程更长。

固态电解质关键问题尚需突破

业内人士比喻,“找到配比合适的电解液有点像抓中药,犹如不同体质、病症服用不同药方,需要根据锂电池的正负极材料种类、电池形状、电池性能最终决定电解液的配方”。

其实对电池电解液的研究,一个重要环节是测试新型电解液在电池中的安全系数,需要做热冲击、针刺、短路、过充电、过放电等各种实验;如热冲击测试中,将电池存储在120℃—150℃的热冲击箱里,看电池的温度变化和电池失控行为,电池是否易燃或者易爆,有些研究要在实验室试验各种电池“爆炸”,从而检验电池的安全性。

“未来研究方向是,用固态电解质替代传统有机液态电解液,全固态锂离子电池将有望从根本上解决电池安全性问题,成为电动汽车和规模化储能的理想电源,但目前在一些关键性问题上取得突破,尚需时日。”贺艳兵强调。

值得一提的是,新烯新能源股份有限公司总监陈鹏在接受科技日报记者采访时说,公司与日本京都大学日前联合开发出的陶瓷硫化物电解质,并制造出综合性能远超传统锂电池的新型固态电池,目前即将投产商业化。(记者 华凌)

(责编:姜虹羽(实习生)、熊旭)

推荐阅读

世界首台!我国量子计算机超越早期经典计算机“这是历史上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机,为最终实现超越经典计算能力的量子计算这一国际学术界称之为‘量子称霸’的目标奠定了坚实的基础。”潘建伟说。【详细】

从“气象特警”到“随身空调” 航天技术来到你身边航天技术民用化已经不是新鲜事。宝宝使用的尿不湿、方便面里的蔬菜包等,这些产品最初都是由航天技术转化而来,而我国现如今在航天技术转化民用方面,更是已经覆盖汽车、电子通信、医疗仪器等多个民用领域。【详细】