數(shù)碼相機(jī)鋰聚合物電池
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總結(jié)低溫鋰離子啟動(dòng)電池用電解液及電極材
普通鋰離子電池低溫性能差,在極寒條件(一40℃以下)幾乎無(wú)法充放電。為此,亟需開(kāi)發(fā)出功率密
度高、低溫放電性能優(yōu)異的新型鋰離子啟動(dòng)電池。鋰離子電池低溫性能受電解液和正負(fù)極材料影響。
開(kāi)發(fā)低溫鋰離子啟動(dòng)電池,首先要從電解液和正、負(fù)極材料改性入手,以提升鋰離子電池的低溫放電容量、功率密度、循環(huán)壽命等性能。
鋰電池低溫性能主要與電解液的低溫導(dǎo)電能力、鋰離子在活性電極材料中的擴(kuò)散獻(xiàn)力、電極界面性質(zhì)
有關(guān)。電解液、正極材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑對(duì)鋰離子及電子的遷移有較大的影響。
鋰離子電池低溫性能差的原因主要有以下幾個(gè)方面∶
(1)低溫下電解液的黏度增大,甚至部分變?yōu)槟虘B(tài),致使離子電導(dǎo)率顯著降低;
(2)低溫下電解液與負(fù)極、隔膜的相容性變差,影響鋰離子的正常傳輸;
(3)低溫下鋰離子在活性電極材料內(nèi)部的擴(kuò)散能力下降,電荷轉(zhuǎn)移阻抗顯著增大;
(4)低溫下負(fù)極易析鋰,析出的鋰易與電解液反應(yīng),其產(chǎn)物沉積導(dǎo)致電極 - 電解質(zhì)界面膜(SEI)厚度增加。
因此,為提升鋰離子啟動(dòng)電池的低溫性能,應(yīng)主要從以下幾方面展開(kāi)工作∶
(1)提升電解液在低溫條件下的離子電導(dǎo)率;
(2)提高低溫下鋰離子在活性物質(zhì)中的擴(kuò)散能力;
(3)在電極-電解質(zhì)界面形成薄且致密的 SEI 膜。
本文綜述了從電解液、正極材料和負(fù)極材料等方面提升鋰離子電池低溫性能的研究進(jìn)展,并據(jù)此對(duì)電解液和電極材料在低溫鋰離子啟動(dòng)電池中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。
一、低溫電解液的研究及應(yīng)用展望
電解液對(duì)鋰離子電池低溫放電性能的影響最為顯著,故在對(duì)低溫鋰離子電池的研寶報(bào)道中,關(guān)鍵技術(shù)是
提高電解液的低溫離子導(dǎo)電能力。
1.1 溶劑
低溫條件下,電解液導(dǎo)電能力下降的主要原因是部分溶劑的凝固,導(dǎo)致鋰離子遷移困難。因此,提高電
解液低溫導(dǎo)電能力的關(guān)鍵在于抑制低溫下溶劑的凝固。這可通過(guò)優(yōu)化溶劑來(lái)解決。
采用多元溶劑組成的電解液是改善電解液低溫性能的重要手段。Plichta等制備了三元溶劑低溫電解液
(LiPF/EC/DMC/EMC),所組裝的電池在-40℃下仍可正常工作。這種電解液對(duì)正極集流體鋁的腐蝕較弱,電池循環(huán)穩(wěn)定性較好。在該溶劑組分中,EYC對(duì)提高電解液的低溫導(dǎo)電能力具有顯著的作用。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外主要的電解液企業(yè)已把這一組成的電解液作為通用的商業(yè)化鋰離子電池電解液。但是這種電解液的低溫倍率放電不佳,且在更低的溫度 (小于一 50℃)環(huán)境中已不能放電。
1.2 溶質(zhì)
低溫條件下,電解液溶質(zhì)的電化學(xué)反應(yīng)活性影響鋰離子電池的低溫放電性,讀這也是選擇低溫鋰察子由
池溶質(zhì)的依據(jù)。溶質(zhì)的低溫反應(yīng)活性的強(qiáng)弱也不是孤立的,需與合適的溶劑組分配合,才能發(fā)揮其低溫
放電性能。提高溶質(zhì)離子的解離常數(shù)與電化學(xué)反應(yīng)活性是開(kāi)發(fā)低溫鋰離子啟動(dòng)電池用電解液溶質(zhì)的需要努力的方向。
LiPF6電化學(xué)性能穩(wěn)定,易溶于有機(jī)溶劑,是最常用的溶質(zhì),但在電池使用過(guò)程中遇水易分解為L(zhǎng)iF和
HF,且在低溫下生成的SEI膜阻抗過(guò)大限制了其在低溫條件下的應(yīng)用。LiBF4和LiBOB的電荷轉(zhuǎn)移阻抗較
低,目前被廣泛用于鋰離子電池低溫性能的改善研究。LiBF4具有熱穩(wěn)定性好、電荷轉(zhuǎn)移阻抗小的優(yōu)點(diǎn),但其成膜效果較差,溶劑易嵌入負(fù)極石墨層間,導(dǎo)致石墨結(jié)構(gòu)塌陷并從集流體剝落。LiBOB因具有良好的成膜性、耐過(guò)充性和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)受到研究人員的關(guān)注。在 PC基溶劑中,LiBOB能夠在負(fù)極界面生成穩(wěn)定的SEI膜,但它卻難溶于鏈狀碳酸酯,導(dǎo)致低溫下電解液黏度較高,在-50℃已無(wú)容量,因此LiBOB常被用作鋰鹽的添加劑。
1.3 添加劑
某些電解液添加劑的加入可提高SEI膜的導(dǎo)電性及穩(wěn)定性,從而改善鋰離子電池的低溫性能。因此,電
解液添加劑的選擇和優(yōu)化也是提升低溫鋰離子啟動(dòng)電池性能的重要環(huán)節(jié)。碳酸亞乙烯酯(VC)是一種較常
用的添加劑。Aurbach等探究了VC添加劑加入電解液改善電池低溫性能的機(jī)理; 少量VW加入后,電極界面導(dǎo)電性與穩(wěn)定性得以提升,從而提高了鋰離子電池的低溫性能。
二、正極材料低溫特性的研究及應(yīng)用展望
早期的研究主要集中在改良電解液的低溫特性。隨著研究的深入,人們發(fā)現(xiàn),鋰離子在正極材料中的擴(kuò)散能力在很大程度上影響著電池的低溫性能。從而,有研究者從正極材料著手改善低溫鋰離子啟動(dòng)電池的性能。
三、負(fù)極材料低溫特性的研究及應(yīng)用展望
低溫環(huán)境下鋰離子電池負(fù)極材料反應(yīng)活性下降,極化嚴(yán)重,負(fù)極表面金屬鋰大量沉積,從而嚴(yán)重影響電池的低溫性能。因此,改善鋰離子啟動(dòng)電池的低溫性能,應(yīng)解決低溫下負(fù)極材料電荷轉(zhuǎn)移阻抗增大以及鋰離子擴(kuò)散系數(shù)減小的問(wèn)題。
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