PDF《提升电解液低温性能：环状和链状溶剂应该怎么选？》

提升电解液低温性能:环状和链状溶剂应该怎么选? 锂离子电池作为当今最成功的化学储能电池之一,其足迹不仅遍布消费类电子产品,更开疆扩土进入到电动汽车领 域.

但是性能如此优异的锂离子电池却对温度十分敏感,低温会导致锂离子电池电性能下降,甚至会导致锂离子电池 无法使用,低温充电更会导致锂枝晶的产生,为了提高锂离子电池的低温性能,广大的科研工作者提出了多种措施, 例如华沙理工大学的Marta Kasprzyk等人提出的非晶态电解液技术,将电解液的使用温度拓展到了-60℃,上海大学夏 永姚教授提出的乙酸乙酯基电解液,将特殊材料的电池的使用温度进一步降低到-75℃,当然也并不是所有的学者都 将研究目光聚焦到电解液上,宾夕法尼亚大学的Guangsheng Zhang等人就设计一款内置Ni加热片的电池,该电池从-40 ℃恢复到常温仅仅需要112s,极大的提升了锂离子电池的低温使用的便利性. 锂离子电池低温性能的提升关键在于电解液低温性能的提升,常规的商业锂离子电池电解液在低温下粘度会快速增 加,电导率急剧下降,我们以一款常见的商业锂离子电池电解液LB303为例,常温下其离子电导率为10mS/cm左右, 但是在-40℃,其电导率就急剧下降到了0.02mS/cm,严重影响了锂离子电池的低温放电性能,因此提升锂离子电池低 温性能的关键在于提高电解液的低温性能. 对于如何提升锂离子电池电解液的低温性能,美国威斯康星大学密尔沃基分校的Janak Kafle认为我们并不需要在电 解液中添加特殊添加剂,仅仅通过调整电解液溶剂的配比,就可以显著提升电解液的低温性能.Janak Kafle的研究表明环状的碳酸酯类溶剂会降低电解液的低温性能,而直链状溶剂则能够提升电解液的低温性能. 下图为大家展示了一些常见的锂离子电池溶剂的分子结构和一些基本的理化指标,从图中我们可以看到常见的溶剂 中EC为环状结构,EC能够帮助在负极形成更佳稳定的SEI膜,因此我们希望在电解液中多加入一些EC,但是EC较高 的熔点(38℃)和高粘度的特性会导致EC过多的加入时电解液低温下电导率偏低,影响电解液的低温性能.直链状 的溶剂,例如DMC、EMC等具有相对较低的粘度和良好的电化学稳定性,因此为了提升锂离子电池电解液的低温性 能,我们通常会采用多种溶剂混和的方式改善电解液的低温性能,例如美国喷气推进实验室的M.C. Smart等通过优化 电解液溶剂的配比,将空间电源供应商SAFT的DD尺寸电池(9Ah)的使用温度范围拓展到了-50-40℃(-40℃,C/10 的比能量仍然可达95Wh/kg),从而使其能够满足执行火星探测任务的需求. 页面

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6 为了研究不同的溶剂比例对电解液低温性能的影响,美国威斯康星大学密尔沃基分校的Janak Kafle设计了多种配方 的电解液(如下表所示,测试电池为NCM111(0.93mAh/cm2)正极/石墨负极扣式电池,测试制度为25℃,1C充满 电后,在低温下搁置2h,使得电池达到热平衡后5C放电),从测试结果来看,电池的低温放电容量非常依赖电解液 的溶剂配比,当环状溶剂的比例超过40%时,电解液在低温下的放电容量就发生了显著的降低. 下图展示了采用不同EC添加比例电解液的电池在低温下的放电容量,从图中我们能够非常明显的观察到,电池在 低温下的放电容量随着环状溶剂EC添加比例的增加而显著降低. 页面