摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于鋰離子電池的發(fā)展也在不斷的完善。鋰離子電池是一種二次電池體系，使用壽命較長(zhǎng)，環(huán)境污染較小，使用溫度范圍較寬，因此，在日常生活中得到了廣泛應(yīng)用。在此背景下，文章針對(duì)鋰離子電池電解液中雜質(zhì)含量對(duì)電池的影響及除雜技術(shù)進(jìn)行具體分析，以供參考。

　　關(guān)鍵詞：鋰離子電池;電解液;雜質(zhì)含量;電池影響;除雜技術(shù)

　　能源方向評(píng)職知識(shí)：電池性能分析論文發(fā)表的期刊

　　電源技術(shù)(月刊)創(chuàng)刊于1977年，是信息產(chǎn)業(yè)部電源專業(yè)情報(bào)網(wǎng)網(wǎng)刊，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所主辦，信息產(chǎn)業(yè)部主管，國(guó)家科技部(原國(guó)家科委)批準(zhǔn)，屬于全國(guó)性的技術(shù)類科技期刊。主要服務(wù)對(duì)象是從事化學(xué)與物理電源研究、研制、生產(chǎn)的科技工作者，科技管理工作者，有關(guān)專業(yè)的高等院校師生及部分用戶，與電源相關(guān)行業(yè)的研究、研制、生產(chǎn)者。

　　引言

　　目前，鋰離子電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車、通訊、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域，電解液作為鋰離子電池的“血液”，在鋰電池中起到傳導(dǎo)正、負(fù)極電荷的作用。目前市場(chǎng)上最普遍的鋰離子電池用電解液是由電池級(jí)碳酸脂類溶劑、六氟磷磷酸鋰和一些功能型添加劑按配方比例配制而成。常用的碳酸脂類溶劑有DMC碳酸二甲酯)、EMC(碳酸甲乙酯)、DEC(碳酸二乙酯)、PC(碳酸丙烯酯)、EC(碳酸乙烯酯)[2]。電解液的配方組成、含水量、氫氟酸、金屬雜質(zhì)離子的含量影響著電池的高低溫性能、容量、使用壽命、安全性等。本文通過(guò)水分和雜質(zhì)離子對(duì)電解液的影響和除雜技術(shù)做出了具體的闡述。

　　1鋰離子電池電解液中雜質(zhì)含量實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

　　如果想要進(jìn)一步研究鋰離子電池和電解液中雜質(zhì)含量的關(guān)系，需要采用不同雜質(zhì)含量的電解液制備出鋰離子電池。在正式實(shí)驗(yàn)前，需要制備LiMn2SO4正極材料極片以、MCMB負(fù)極材料極片，同時(shí)完成紐扣電池的組裝。在此基礎(chǔ)上，對(duì)電解液性能以及電池電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，主要包括以下幾個(gè)測(cè)試：電解液電導(dǎo)率測(cè)試、電解液酸度測(cè)試、線性福安掃描法以及電化學(xué)阻抗測(cè)試。分別利用電導(dǎo)率測(cè)試儀、酸度計(jì)、電化學(xué)工作站以及線性伏安掃描法等儀器和方式完成上述測(cè)試工作。

　　2鋰離子電池電解液中水分和雜質(zhì)離子對(duì)電解液的影響

　　2.1水和氟化氫含量對(duì)有機(jī)電解液性能的影響

　　水和氟化氫的含量是影響有機(jī)電解液性能最重要的因素,水和氟化氫的含量對(duì)鋰離子電池性能的影響,可分為對(duì)電極表面SEI膜(固體電解質(zhì)相界面膜)的影響和對(duì)電解液自身穩(wěn)定性的影響兩個(gè)方面。痕量水和氟化氫在電池的首次充放電過(guò)程中將是電極表面的還原產(chǎn)物烷基碳酸鋰反應(yīng)生成碳酸鋰和氟化鋰等或與金屬鋰反應(yīng)生成氧化鋰、碳酸鋰和氟化鋰等作為SEI膜的組分覆蓋在電極表面上[1]。碳酸鋰不溶于有機(jī)溶劑,具有較好的鋰離子可尋性,是形成具有優(yōu)良性能的SEI膜的重要組分。

　　氧化鋰和氟化鋰是熱力學(xué)穩(wěn)定的SEI膜組分,對(duì)穩(wěn)定碳酸鋰等其它SEI膜組分具有重要的意義。有研究工作表明DMC基電解液中痕量水分的出現(xiàn)不僅對(duì)石墨電極的性能沒(méi)有任何破壞,反而會(huì)有很大程度地提高。因此從這一方面講,有機(jī)電解液中痕量水和氟化氫的存在是有一定作用的。

　　當(dāng)有機(jī)電解液中水和氟化氫的含量較高時(shí),水和氟化氫會(huì)與鋰反應(yīng),一方面消耗掉電池中有限的鋰離子,從而使電池的不可逆容量增大,另一方面反應(yīng)產(chǎn)物中大量出現(xiàn)氧化鋰和氟化鋰對(duì)電極電化學(xué)性能的改善不利,同時(shí)前述反應(yīng)中會(huì)有氣體產(chǎn)物產(chǎn)生導(dǎo)致電池內(nèi)壓力增大。隨著有機(jī)電解液中水和氟化氫含量的增加,鋰離子電池的充放電、循環(huán)效率等性能將明顯下降,當(dāng)含量超過(guò)0.1%時(shí),鋰離子電池將被完全破壞。

　　2.2鐵、鎳、鈉、鋁鹽等金屬雜質(zhì)離子對(duì)有機(jī)電解液性能的影響

　　金屬雜質(zhì)離子具有比鋰離子低的還原電位,因此在充電過(guò)程中,金屬雜質(zhì)離子將首先嵌入碳負(fù)極中,減少了鋰離子嵌入的位置,因此減少了鋰離子電池的可逆容量。高濃度的金屬雜質(zhì)離子的含量不僅會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池可逆比容量下降,而且金屬雜質(zhì)離子的析出還可能導(dǎo)致石墨電極表面無(wú)法形成有效的鈍化層,使整個(gè)電池遭到破壞[1]。但鋰離子半徑較小,鋰離子在石墨層間的遷移速率大于其它金屬離子,因此低濃度的金屬雜質(zhì)離子對(duì)電池性能影響不大,因此一般要求有機(jī)電解液中各金屬雜質(zhì)離子的含量小于0.007%。

　　2.3含有活潑氫原子的有機(jī)物質(zhì)的影響

　　分子中含有活潑氫原子的有機(jī)酸、醇、醛、酮等物質(zhì)，在電池的首次充放電過(guò)程中，生成羧酸鋰或烷氧基鋰等化合物，這些物質(zhì)在有機(jī)溶劑中具有一定的溶解度，他們一方面會(huì)導(dǎo)致SEL膜的不穩(wěn)定性，降低鋰離子的傳導(dǎo)性，降低了電池的循環(huán)效率;另一方面，它們與金屬鋰的反應(yīng)增大了電池的不可逆容量。

　　胺和酰胺類在充放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生聚合作用，使電解液的電導(dǎo)率降低。同時(shí)這些物質(zhì)還會(huì)與六氟磷酸鋰發(fā)生反應(yīng)，生成氟化氫。筆者最近研究有機(jī)電解液中甲醇雜質(zhì)對(duì)石墨電極性能的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有機(jī)電解液中的甲醇含量超過(guò)0.5%時(shí)，石墨電極的充放電循環(huán)可逆性將遭到完全的破壞，當(dāng)甲醇含量小于0.1%時(shí)，雖然石墨電極的充放電循環(huán)可逆性未受到影響，但首次充放電循環(huán)過(guò)程的不可逆容量明顯增大。由以上分析可知，有機(jī)電解液中含有活潑氫原子的雜質(zhì)的量越小，越有利于電池性能的改善。

　　3鋰離子電池電解液的除雜技術(shù)對(duì)策

　　3.1有機(jī)電解液中雜質(zhì)的脫除

　　由于分子篩具有離子交換功能,如果將普通的4A或5A分子篩用于有機(jī)電解液中雜質(zhì)的脫除,將會(huì)在有機(jī)電解液中引入大量的鈉離子,因此在有機(jī)電解液中的雜質(zhì)脫除過(guò)程中,必須使用鋰化分子篩。鋰化分子篩可通過(guò)用濃度在1md/L左右LiClO4或LiF的乙醇溶液與普通4A或5A型分子篩相互接觸制得。有機(jī)電解液經(jīng)過(guò)鋰化分子篩除雜后,可將電解液配制過(guò)程和六氟磷酸鋰中引入的水得到進(jìn)一步的脫除,氟化氫也會(huì)得到初步的脫除,同時(shí)分子篩具有離子交換能力,可使電解液中含量較高的其他金屬離子與鋰化分子篩中的鋰發(fā)生交換,從而降低了有機(jī)電解液中其他金屬雜質(zhì)離子的含量。經(jīng)過(guò)上述純化過(guò)程后,可以保證有機(jī)電解液中的水含量小于0.005%,金屬離子雜質(zhì)含量小于0.003%。

　　3.2Li2SO4預(yù)處理

　　鋰離子電池如果想要得到更好的應(yīng)用，就要優(yōu)化電解液體系，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)證明SEI膜改性可以有效降低雜質(zhì)的負(fù)面影響，改善電極損傷情況，并且提高長(zhǎng)期循環(huán)能力。因此，本文提出在石墨陽(yáng)極上進(jìn)行Li2SO4預(yù)處理，從而有效提高循環(huán)性能，切實(shí)抑制雜質(zhì)對(duì)電池性能產(chǎn)生破壞和影響。根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)測(cè)試情況來(lái)看，利用噴霧沉積技術(shù)，配合Li2SO4水溶液對(duì)石墨電極表面進(jìn)行預(yù)處理后，不僅循環(huán)性能和容量保持率得到有效提高，界面阻抗也相對(duì)較低。

　　從實(shí)際情況上看，預(yù)處理后，雜質(zhì)含量下降，都具有了非常明顯充放電平臺(tái)，預(yù)處理后的石墨電極半電池的初始放電容量和充電容量分別為313.5mAhg-1以及253mAhg-1，由此可知每個(gè)循環(huán)的平均衰減容量為1.0mAhg-1。沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)處理的石墨電極半電池的初始放電容量和充電容量分別為329.5mAhg-1以及168.8mAhg-1，由此可知每個(gè)循環(huán)的平均衰減容量為4.0mAhg-1。需要注意的是，前者經(jīng)歷了60個(gè)循環(huán)，而后者僅經(jīng)歷了40個(gè)循環(huán)。根據(jù)具體的電化學(xué)性能測(cè)試、阻抗測(cè)試、SEI膜形貌分析以及SEI膜的成分分析情況來(lái)看，經(jīng)過(guò)Li2SO4預(yù)處理后的石墨電極，其表面的SEI膜薄而穩(wěn)定且富有彈性電化學(xué)性能得到根本上的提高，也能夠更好的適應(yīng)電化學(xué)體積變化。

　　結(jié)語(yǔ)

　　綜述，如果鋰離子電池電解液中雜質(zhì)含量過(guò)高，就會(huì)導(dǎo)致電池容量瞬間，還會(huì)對(duì)電池EIS以及電極表面SEI膜形態(tài)和組分造成負(fù)面影響。可以利用Li2SO4預(yù)處理石墨電極，來(lái)提高電池循環(huán)性能，抑制電解液中雜質(zhì)對(duì)電池性能的破壞，讓鋰離子電池可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)展，在大型能量存儲(chǔ)系統(tǒng)市場(chǎng)中得到應(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]趙震,孟慶義.鋰離子電池電解液中雜質(zhì)的影響及其脫除[J].山東化工.2003(03).

　　[2]孫婧軒.電解液添加劑對(duì)硅基負(fù)極性能影響的研究[D].哈爾濱工程大學(xué),2019.