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聯合研究小組開發多功能分離器 讓電池可以在普通環境下組裝生產

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2021年12月16日  

2020年諾貝爾化學獎的榮譽屬于那些開發鋰離子充電電池的人。這些電池已經成為從小型IT設備到電動汽車等電子設備必不可少的能源。美國領先汽車制造商特斯拉(Tesla)最近強調,必須建立創新的生產體系,降低電池成本。電池價格占電動汽車的很大一部分,降低成本對電動汽車的普及至關重要。


一個由樸淑珍教授和博士后化學系博士候選人宋慧斌(HyeBinSong)與蔚山學院(UlsanCollege)柳承敏(SeungminYoo)教授領導的聯合研究小組成功地開發了一種多功能分離器,即使在環境空氣中組裝袋式電池,電池也能正常工作。


由于電池內部的電解液會與濕氣發生反應,導致電池劣化,因此鋰離子電池通常是在干燥的室內組裝的,而干燥的室內的濕度保持在1%以下。然而,保持干燥的房間是相當昂貴的。


為了解決這個問題,研究人員通過向電解液中注入添加劑來抑制水分或氫氟酸等雜質。但在電池運行過程中,這些會引起不必要的副反應。事實上,當電池在高溫(50°C或更高)下激活時,即使是一點點水分也會導致性能更快的惡化。因此,需要一種能夠捕獲電池中的水分和雜質而不對添加劑產生不利的電化學反應的材料。


為此,聯合研究小組引入了功能材料,可以將雜質截留在分離器表面,從而提高熱穩定性,改善電池性能。該多功能分離器表現出優異的耐熱性(在140℃下儲存30分鐘后收縮率在10%以內。傳統分離器具有50%的收縮率),并且在55℃的高溫下進一步顯示出改進的電化學性能(100次充電循環后保持初始容量的79%)。


此外,研究人員還證實了在充滿雜質的環境中,電解液中功能材料的有效性。合成的功能陶瓷表面的硅烷化合物能很好地截留水分,保持陶瓷的結構,但一般陶瓷材料會受到酸化電解液的腐蝕。此外,通過這項研究,研究小組證實,這一次在環境空氣中生產的多功能分離器比傳統分離器具有更高的使用壽命,證實其性能穩定,超出了簡單分離器的作用。


“這種新開發的多功能隔膜在高能量密度下表現出極大的穩定性和優異的電化學性能。”長期以來一直通過各種方法研究電池隔膜的樸素金教授說這是第一個在環境空氣中制造電池的成功案例,有望在降低電池成本方面發揮重大作用。


電解質對電池性能的影響


電解質通過促進離子在充電時從陰極到陽極的移動以及在放電時反向的移動,充當使電池導電的催化劑。離子是失去或獲得電子的帶電原子。電池的電解質由液體,膠凝和干燥形式的可溶性鹽,酸或其他堿組成。電解質也來自聚合物,如固態電池,固態陶瓷和熔融鹽(如鈉硫電池)中使用的聚合物。


鉛酸電池


鉛酸鉛酸電池使用硫酸作為電解質。充電時,隨著正極板上形成氧化鉛(PbO2),酸變得更濃,然后在完全放電時變成幾乎水。用比重計測量硫酸的比重。(另請參閱BU-903:如何測量荷電狀態)。鉛酸電池有溢流和密封形式,也稱為閥控鉛酸(VRLA)或免維護。


硫酸是無色的,略帶黃綠色,可溶于水,具有強腐蝕性。陽極腐蝕或水進入電池組后會生銹,從而導致顏色偏黃。


鉛酸電池具有不同的比重(SG)。深循環電池使用的SG高達1.330的致密電解質來實現高比能量,入門電池的平均SG約為1.265,而固定電池的SG較低,約為1.225,以緩和腐蝕并延長使用壽命。(請參閱BU-903:如何測量荷電狀態。)。


鎳鎘電池(NiCd)


NiCd中的電解質是堿性電解質(氫氧化鉀)。大多數NiCd電池是圓柱形的,其中將正極和負極的多層材料纏繞成果凍卷。NiCd的淹沒版本用作商用飛機和在需要頻繁循環的冷熱氣候下運行的UPS系統中的船用電池。NiCd比鉛酸貴,但使用壽命更長。


鎳氫電池(NiMH)


NiMH使用與NiCd相同或相似的電解質,通常是氫氧化鉀。NiMH電極非常獨特,由鎳,鈷,錳,鋁和稀土金屬組成,這些金屬也用于鋰離子中。NiMH僅提供密封版本。


氫氧化鉀是一種化學式為KOH的無機化合物,通常稱為苛性鉀。電解質是無色的,具有許多工業應用,例如大多數軟肥皂和液體肥皂中的成分。食入KOH是有害的。


鋰離子(Li-ion)


鋰離子電池使用液體,凝膠或干聚合物電解質。液體形式是易燃的有機形式,而不是水性形式,是鋰鹽與類似于碳酸亞乙酯的有機溶劑形成的溶液。將溶液與各種碳酸鹽混合可提供更高的電導率并擴大溫度范圍。可以添加其他鹽以減少放氣并改善高溫循環。


帶有膠凝電解質的鋰離子接受許多添加劑以增加電導率,聚合物電池也是如此。真正的干聚合物僅在高溫下才具有導電性,該電池已不再用于商業用途。還添加了添加劑以達到長壽和獨特的特性。


電解質應該穩定,但是鋰離子卻不是這種情況。鈍化膜在陽極上形成,稱為固體電解質界面(SEI)。該層將陽極與陰極分隔開,但允許離子像隔板一樣穿過。本質上,必須形成SEI層才能使電池正常工作。薄膜可穩定系統并延長鋰離子電池的使用壽命,但這會導致容量降低。電解質氧化也會發生在陰極上,從而永久降低容量。


為了防止膜變得過于嚴格,將添加劑與在形成SEI層期間消耗的電解質混合。


眾所周知的添加劑是碳酸亞乙烯酯(VC)。這種化學物質延長了鋰離子的循環壽命,尤其是在較高溫度下,并且隨著使用時間和使用年限的延長,其內阻也保持較低。VC還可以在陽極上保持穩定的SEI膜,而在陰極上沒有電解質氧化的不利副作用(Aurbach等)。據說,學術界和研究界在添加劑的知識和選擇方面都落后于電池制造商,因此這是一個很大的秘密。


對于大多數商用鋰離子電池,SEI層會在75-90°C(167-194°F)的電池溫度下分解。電池的類型和充電狀態(SoC)會影響高溫下的擊穿。如果未正確冷卻,可能會發生自熱行為,從而導致熱失控。在18650個電池上進行的實驗室測試表明,這種熱事件可能需要兩天的時間才能形成。


鋰離子電解質的可燃性是進一步關注的問題,并且已經進行了通過添加劑或開發非有機離子液體來生產不可燃或還原性可燃電解質的實驗。還進行了研究以在低溫下操作鋰離子電池。在撰寫本文時,這些電解質均未廣泛用于商業用途。


干燥或緩慢地將液態電解質轉變為固態是另一個老化事件,它降低了鋰離子的性能。“當液體耗盡時,電池就沒電了,”鋰離子電池專家兼物理學教授JeffDahn說。電解質的流動性是與所有電池化學性質有關的另一種健康狀態指標。


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