探究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)

王芳（天津金牛電源材料有限責(zé)任公司，天津300400）

近幾年里，鋰離子電池因其本身低污染、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，電解液作為其中重要組成部分，不僅起到了存儲(chǔ)作用，也承擔(dān)了能量轉(zhuǎn)化的作用。研究發(fā)現(xiàn)，鋰電子電池電解液中存在很多雜質(zhì)離子，會(huì)對(duì)其性能造成極大的負(fù)面影響。因此，需要加強(qiáng)對(duì)雜質(zhì)含量和除雜技術(shù)的分析，以提高電池的穩(wěn)定安全性。

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雜質(zhì)含量實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)基本數(shù)據(jù)

鋰離子電池可以在電動(dòng)車輛、混合動(dòng)力電動(dòng)車輛中得到廣泛應(yīng)用，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，電解液中的雜質(zhì)是導(dǎo)致其失效的主要原因之一。有研究表明，雜質(zhì)的沉積會(huì)導(dǎo)致電池性能鏈狀劣化，還會(huì)導(dǎo)致石墨電極表面形成的SEI膜被破壞，只有通過除雜技術(shù)，來抑制雜質(zhì)沉積對(duì)電池循環(huán)壽命造成的影響。利用天津金牛電源材料有限責(zé)任公司提供的電解液的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為了更好的進(jìn)行對(duì)比分析，其中一組電解液中含有30mgL-1的雜質(zhì)濃度，另一組則完全不含雜質(zhì)，通過具體配置工作，讓電解液中雜質(zhì)含量分別保持在：0mgL-1、20mgL-1、34.5mgL-1、51.5mgL-1、70.5mgL-1這幾個(gè)層次，并且對(duì)制備好的電池進(jìn)行測(cè)試。按照前文的實(shí)驗(yàn)測(cè)試順序，分別完成了電解液性能以及電池電化學(xué)性能測(cè)試、電極表面形貌和組分測(cè)試。

2.2 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

2.2.1普通的電解液電池

根據(jù)實(shí)際結(jié)果情況來看，不含雜質(zhì)的電解液半電池更具穩(wěn)定性，經(jīng)過50個(gè)循環(huán)后，不含雜質(zhì)電解液的半電池容量保持率為87.8%，而含有雜質(zhì)電解液的半電池容量為48.9%。由此可知，雜質(zhì)的存在導(dǎo)致了嚴(yán)重的容量衰減。造成這一情況的主要原因在于雜質(zhì)的增加，會(huì)產(chǎn)生副反應(yīng)，從而讓電荷消失速度加快，容量衰減，不僅如此，不含雜質(zhì)電解液的半電池初始放電容量和充電容量分別為381.3mAhg-1以及301.3mAhg-1，其中含有不可逆容量損失為80mAhg-1，而含有雜質(zhì)電解液的半電池初始放電容量和充電容量分別為371.5mAhg-1以及293mAhg-1，其中含有不可逆容量損失為78.5mAhg-1，經(jīng)過50 個(gè)循環(huán)后，這種差異逐漸加大，最終不可逆損失分別達(dá)到35.3mAhg-1以及4.5mAhg-1。在對(duì)SEI 膜阻抗進(jìn)行調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，不含雜質(zhì)電解液的SEI 膜阻抗為297.6Ω，而含有雜質(zhì)電解液的半電池容量為972.12Ω。根據(jù)這一數(shù)據(jù)可以看出，含有雜質(zhì)的電解液明顯增加了界面阻抗。總的來說，含有雜質(zhì)的電解液并不利于電池制備工作，會(huì)對(duì)電池的正常使用造成嚴(yán)重的負(fù)面影響。

2.2.2 LiBOB-SL/DEC電解液電池

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析不同雜質(zhì)含量的Li?BOB-SL/DEC 電解液體系對(duì)電池容量衰減、電池EIS 以及電極表面SEI 膜進(jìn)行分析。根據(jù)實(shí)際情況上看，這一電解液相比較上述電解液的放電容量更加穩(wěn)定。由此可知，LiBOB-SL/DEC電解液可以有效抑制雜質(zhì)在石墨電極表面沉積，雖然依然放電容量依然有一定程度的降低，但整體上看，效果得到發(fā)幅度改善，電解液的氧化分解被充分抑制，充放電率借鑒100%。從具體數(shù)據(jù)可知，當(dāng)放電率為0.2C時(shí)，LiBOB-SL/DEC電解液中的雜質(zhì)含量分別為：0mgL-1、20mgL-1、34.5mgL-1、51.5mgL-1、70.5mgL-1時(shí)，放電容量分別保持在98%、95%、92%、86%、80%。然后在失穩(wěn)狀態(tài)下，進(jìn)一步分析雜質(zhì)含量對(duì)電化學(xué)阻抗帶來影響，根據(jù)具體數(shù)據(jù)來看，不含雜質(zhì)LiBOB-SL/DEC 電解液SEI 膜阻抗為560Ω。由此可以愛看胡扯，雖然起到，而一定的抑制作用，但隨著雜質(zhì)含量的增加，依然會(huì)出現(xiàn)一定的影響，但相比較普通的電解液來看，LiBOB-SL/DEC電解液可以形成有效的保護(hù)膜，抑制雜質(zhì)沉積。

3 鋰離子電池電解液的除雜技術(shù)對(duì)策分析

3.1 Li2SO4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。沒有經(jīng)過預(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看，經(jīng)過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。

3.2 鋰化分子篩

除了利用Li2SO4預(yù)處理石墨電極之外，在制備過程中，也可以采取一些脫出基礎(chǔ)，但在脫除雜質(zhì)的過程中很有可能會(huì)引入大量的鈉離子，可以采用鋰化分子篩，利用其篩除雜質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，讓其和六氟磷酸鋰進(jìn)行反映，會(huì)讓氟化氫進(jìn)行初步的脫除，同時(shí)，其他金屬離子也會(huì)和鋰化分子篩的鋰離子發(fā)生交換，進(jìn)一步降低離子含量。切實(shí)保證有機(jī)電解液中的水含量小于0.002%。為了保證雜質(zhì)篩除效果，可以對(duì)相應(yīng)的雜質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，避免除雜工作出現(xiàn)問題。

3.3 除雜裝置

除了上述兩種方式之外，還可以利用電解液連續(xù)凈化除雜裝置，利用注液槽、吸附球、凈化柱、沉降池、集液桶和除氣泡等機(jī)械結(jié)構(gòu)，完成高效的除雜工作技術(shù)。有機(jī)電解液作為鋰離子電池最為重要的組成部分，加強(qiáng)其雜質(zhì)凈化能力，提高電池電化學(xué)性能，是現(xiàn)階段的重點(diǎn)，可以有效避免整個(gè)電池遭到破壞。具體的工作流程如下：第一步，將待凈化除雜的電解液注入到注液槽內(nèi)，然后液體就會(huì)依次經(jīng)過吸附球、凈化柱和沉降池等結(jié)構(gòu)，此時(shí)電解液中的雜質(zhì)就會(huì)被吸附去除。第二步，在循環(huán)泵的作用下，經(jīng)過一次凈化的電解液重新回到注液槽內(nèi)，再次進(jìn)行凈化，如此循環(huán)反復(fù)。第三步，凈化除雜完成的電解液進(jìn)入到集液桶中，經(jīng)過除氣泡裝置去除電解液中氣泡，此時(shí)電解液中的雜質(zhì)基本降至最低。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，如果鋰離子電池電解液中雜質(zhì)含量過高，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?？梢岳肔i2SO4預(yù)處理石墨電極，來提高電池循環(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。