技术培训-电解液

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有机成膜添加剂-硫代有机溶剂 有机成膜添加剂 硫代有机溶剂
硫代有机溶剂是重要的有机成膜添加剂,包括亚硫酰基添加剂和磺酸酯 添加剂。ES(ethylene sulfite, 亚硫酸乙烯酯)、PS(propylene sulfite, 亚硫 酸丙烯酯)、DMS(dimethylsulfite, 二甲基亚硫酸酯)、DES(diethyl sulfite, 二乙基亚硫酸酯)、DMSO(dimethyl sulfoxide, 二甲亚砜)都是常用的亚硫酰 基添加剂 ,亚硫酰基添加剂还原分解形成SEI膜的主要成分是无机盐Li2S、 Li2SO3 或Li2SO4 和有机盐ROSO2Li, 碳负极界面的成膜能力大小依次 为:ES>PS>>DMS>DES,链状亚硫酰基溶剂不能用作PC基电解液的添 加剂,因为它们不能形成有效的SEI 膜,但可以与EC溶剂配合使用,高粘 度的EC 具有强的成膜作用,可承担成膜任务,而低粘度的DES 和DMS 可 以保证电解液优良的导电性磺酸酯是另一种硫代有机成膜添加剂,不同体 积的烷基磺酸酯如1,3-丙烷磺酸内酯、1,4-丁烷磺酸内酯、甲基磺酸乙酯和 甲基磺酸丁酯具有良好的成膜性能和低温导电性能,是近年来人们看好的 锂离子电池有机电解液添加剂
与阴离子作用型
阴离子配体主要是一些阴离子受体化合物,如硼基化合物, 它们能够与锂盐阴离子如F-、PF6-等形成配合物,减 小Li+与阴离子间的相互作用,增加Li+迁移数,减小阴离 子迁移数和降低阴离子电化学活性。
与电解质离子作用型
中性配体化合物主要是一些富电子基团键合缺电子原子N 或B 形成的化合物,如氮杂醚类和烷基硼类。在电解液中 使用这类添加剂可以通过对电解质离子的配合作用同时提 高电解液中阴、阳离子的导电性,对电解液电导率的提高 效果因而非常明显
3、阻燃添加剂
安全性问题是锂离子电池市场创新的重要前提,特别是在电动汽车等领域 的应用对电池的安全性提出了更高、更新的要求。锂离子二次电池在过度 充放电、短路和大电流长时间工作的情况下放出大量热,这些热量成为易 燃电解液的安全隐患,可能造成灾难性热击穿(热逸溃)甚至电池爆破。阻 燃添加剂的加入可以使易燃有机电解液变成难燃或不可燃的电解液,降低 电 池放热值和电池自热率,同时也增加电解液自身的热稳定性,避免电池在 过热条件下的燃烧或爆炸。因此,阻燃添加剂的研制已经成为最近三年来 锂离子电池添加剂研究的重要方向。
最佳用量 3%~5% ~5% ~2% ~1.6% ~5%
改进效果 首次充放电效率达 92.9% 首次充放电效率接近 90% 电极容量和寿命均明 显提高 首次充放电效率达 90%左右 有效抑制PC 分子的 嵌入 循环效率达99.1%(5 次),10 次后可 达100.0% 显示出了长的循环寿 命,充放电效率 可达90% 改善SEI 膜的结构和 电极循环性能 大幅度提高电极可逆 容量 明显改善电极循环性 能 减少气体生成和电极 首次不可逆容量.
PC
65
2.5
DEC DMC
2.8 3.1
0.75 0.59
高温电解液中常见组分
不同溶剂体系在不同温度电导率
PC+DEC PC+DMC EC+DEC EC+DMC
0℃[(mol/l)-2s-1]
5.3*10-6
2.1*10-6
1.7*10-6
-
10℃[(mol/l)-2s-1]
2.8*10-5
1.3*10-5
有机成膜添加剂有机成膜添加剂 卤代有机成膜添加剂
卤代有机成膜添加剂包括氟代、氯代和溴代有机化合物。这类添加剂借 助卤素原子的吸电子效应提高中心原子的得电子能力,使添加剂在较高的电 位条件下还原并有效钝化电极表面卤代EC、三氟乙基膦酸[tris(2,2,2trifluoroethyl)phosphite, 简称TTFP]、氯甲酸甲酯、溴代丁内酯及氟代乙酸基 乙烷等都是这类添加剂[23~25]。 在PC 基电解液中加入10%的1,2-三氟乙酸基乙烷[1,2-bis(trifluoracetoxy)-ethane, 简称BTE]后,电极在1.75V(vs.Li/Li+)发生成膜反应, 可有效抑制PC 溶剂分子的还原共插反应,并允许锂可逆地嵌入与脱嵌,提高 碳负极的循环效率。氯甲酸甲酯、溴代丁内酯的使用也可以使碳负极的不可 逆容量降低60%以上。
与阳离子作用型
阳离子配体主要用于实现对Li+的优先溶剂化,减小Li+的Stokes 半径,如 胺类、冠醚类和穴状配体等,这些物质一般具有较大的施主数(donor number, 简称DN),能够和锂离子发生较强的配位和螯合作用,电解液的 电导率可在大范围内显著增长,例如NH3 和一些低分子胺类可以显著提高 电解液的电导率,但是因为产生共插而导致电池性能劣化; 乙酰胺及其衍生物和含氮芳香杂环化合物,如对二氮(杂)苯与间二氮(杂)苯 及其衍生物[26]等具有相对较大的分子量可避免配体的共插,在有机电解 液中添加适量的这类物质,能够明显改善电池性能; 冠醚类、穴状配体可以有效配合阳离子,增加解离度和减小Li+与溶剂分子 间的相互作用。
名称 ES PS VC 苯甲醚 N,N-二甲基三氟 乙酰胺 DMTFA 1,2-三氟乙酰基 乙烷(BTE) 碳酸氯乙烯酯 (Cl-EC) 12-冠-4 醚(12Cr-4) SO2 CO2 Li2CO3
状态 液体 液体 液体 液体 液体
种类 有机物 有机物 有机物 有机物 有机物
作用体系 PC PC EC+DMC EC+DEC PC
液体
有机物
PC
~10%
液体
有机物
EC+PC
~5%
液体 气体 气体 固体
有机物 无机物 无机物 无机物
EC+PC PC,DMC,EC PC EC+DEC
0.35mol/L ~20% 饱和 饱和
εr EC 90
η0 1.9
特性(在负极表面成膜能力SEI) 能够形成有效的SEI膜,因而尽管熔点高,会影响电池的低温使用性能, 但仍然是电解液中必不可少的成分。 具有低熔点(-49℃),能够提高电池的低温使用性能,但会导致石墨负 极的剥落,目前的解决方法为石墨负极的表面改性,或在电解液中 添加可以形成致密SEI膜的物质,如亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯、 1,3-苯并二氧-2-酮、冠醚。而使用LiBOB电解液不会出现石墨负极 的剥落现象,它甚至能够在纯PC中稳定石墨负极,这是其他锂盐所 不具备的独特性质,将大大提高PC在电解液中的应用,配置更多不 同体系的电解液,拓宽锂离子电池的温度使用范围。BOB-在石墨表面 形成SEI膜开始与于1.6v(vs.Li/Li+),完成于0.5v(vs.Li/Li+)。 将在LiB(C2O4) 2电解液中形成了SEI膜的石墨负极转移到LiPF6/PC中 做电池充放测试,电池有较好的低温性能。
低沸点的有机阻燃剂[33~35]如三甲基磷酸酯(trimethyl phosphate,简称TMP),在受热的情况下首先气化: TMP(l)⎯→ TMP(g) ⎯ (1) 气态TMP 分子受热分解释放出阻燃自由基(如P·自由基): TMP(g) ⎯→ P· (2) 生成的阻燃自由基有捕获体系中氢自由基的能力: P·+ H·⎯→ PH (3) 从而阻止碳氢化合物燃烧或爆炸的链式反应的发生。
阻燃剂的蒸气压和阻燃自由基的含量是决定阻燃剂阻燃性能的重要 指标;被阻燃溶剂的蒸气压和含氢量在很大程度上决定其易燃程度。 锂离子电池阻燃添加剂大多是含P 或F 的有机化合物,如有机磷化 物、有机氟化物、以及氟代烷基磷酸酯等。
有机磷化物
有机磷化物包括烷基磷酸酯类、磷腈类化合物以及磷取代基的化合物、磷-氮键化合 物,如三甲基磷酸酯(trimethyl phosphate,简称TMP)、三乙基膦酸酯(triethyl phosphate,简称TEP)、六甲基磷腈(hexamethyl phosphazene,简称HMPN)等,都是优 良的阻燃剂。 日本普利司通研制了以磷和氮为基本原料的TMP 阻燃剂阻燃不同有机溶剂所需的最小 用量磷氮烯添加剂,在电解液中加入5%可以使电解液产生难燃性或不可燃性的效果, 且不影响电池本身的电化学性能,估计近年来将有较大的市场需求。
无机成膜添加剂
优良的无机成膜添加剂的种类和数目至今仍然十分有限。 1)、CO2在电解液中溶解度小,使用效果并不十分理想; 2)、SO2的成膜效果和对电极性能的改善十分明显,但与电池处于高电位条件 下的正极材料相容性差,难以在实际生产中使用。 3)、在1mol/L,LiPF6/EC+DMC体系中添加饱和Li2CO3后,电极表面产生的气 体总量明显减少,电极可逆容量明显提高。SEI膜的形成是Li2CO3在电极表 面沉积和溶剂还原分解共同作用的结果。Li2CO3的加入一方面有助于电极表 面形成导Li+性能优良的SEI膜,同时也在一定程度上抑制了EC和DEC的分解 反应。 4)、在LiClO4作锂盐电解质的电解液中加入少量NaClO4,也可以降低电极不可 逆容量,改善循环性能,这是因为Na+的加入改变了电解液内部Li+的溶剂化 状况和电极界面成膜反应的形式,SEI 膜的结构得到了优化的缘故[31]。
1.1*10-5
6.7*10-6
20℃[(mol/l)-2s-1]
8.5*10-5
4.4*10-5
4.0*10-5
1.6*10-5
30℃[(mol/l)-2s-1]
2.2*10-4
1.6*10-4
7.8*10-5
6.7*10-5
20µL水在不同体系50H后的对比
Density of electrolyt e(g/l) Density after addition of 20µl of water Change of desity in 50h after water added(%) 0.285 0.096 0.406 0.367
锂电池培训-电Hale Waihona Puke Baidu液 锂电池培训 电解液
一、电解液基础知识 二、电解液添加剂知识 三、电解液主盐 四、电解液国内外厂家介绍
一、电解液基础知识
电解液为溶解有锂盐LiPF6 、 LiAsF6、LiBOB等的有机 电解液为溶解有锂盐 等的有机 溶液; 溶液; 电解液的主要功能使为锂离子提供一个自由脱嵌的环境。 电解液的主要功能使为锂离子提供一个自由脱嵌的环境。
有机成膜添加剂-其它有机溶剂 有机成膜添加剂
其它有机溶剂: 碳酸亚乙烯酯(vinylene carbonate, 简称VC)是目前研究最深入、效果理 想的有机成膜添加剂。1mol/L 的LiAsF6/EC+DMC(1/1)电解液中加入10%的 VC 后,利用分光镜观察电极表面,证实VC 在碳负极表面发生自由基聚合反 应,生成聚烷基碳酸锂化合物,从而有效抑制溶剂分子的共插反应,同时对 正极无副作用。VC 在1 mol/L 的LiAsF6/EC+EMC(ethyl methyl carbonate, 乙基甲基碳酸酯)(1/2)电解液中的作用,证实VC 可使高定向热解石墨(highly oriented pyrolytic graphite, 简称HOPG)电极表面裂缝的活性点失去反应活性, 在HOPG 电极表面形成极薄的钝化膜(厚度小于10nm),该钝化薄膜是由VC 的还原产物组成,具有聚合物结构。 另据Sony 公司的专利报道,在锂离子电池非水电解液中加入微量苯甲 醚或其卤代衍生物,能够改善电池的循环性能,减少电池的不可逆容量损失, 这是因为苯甲醚和电解液中EC、DEC(diethyl carbonate, 二甲基碳酸酯)的还 原分解产物RCO3Li 可以发生类似于酯交换的基团交换反应,生成CH3OLi 沉 积于石墨电极表面,成为SEI 膜的有效成分,使得SEI 膜更加稳定有效,降 低循环过程中用于修补SEI 膜的不可逆容量[28]。
二、电解液添加剂知识
依非水电解液添加剂的作用机制分类: 1、SEI(solid electrolyte interface) 成膜添加剂 2 2、导电添加剂 3、阻燃添加剂 4、过充电保护添加剂 5、控制电解液中水和HF含量的添加剂 6、改善低温性能的添加剂 7、多功能添加剂
1、SEI(solid electrolyte interface) 成 膜添加剂
Initial(g/l) 1MLiPF6/EC+DEC 1MLiPF6/EC+DMC 1MLiPF6/PC+DEC 1MLiPF6/PC+DMC 1672 1734 1579 1642 1665 1726 1576 1637
50h after(g/l) 1661 1724 1570 1631
2、导电添加剂
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