鋰離子電池電解液功能性添加劑的設計及應用

程樹國 胡朝鋒 武大中 郭慧芳(河南華瑞高新材料有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引言

鋰離子電池具備工作電壓高，循環(huán)壽命長，自放電小，對外界污染小的優(yōu)勢，已成為一種重要的新型能源，尤其在新能源汽車方面得到廣泛應用。添加劑是鋰離子電解液中重要的組成部分，對于電解液的性能具有決定性作用，開展功能性添加劑的研究設計，已成為當前鋰離子電解液發(fā)展的重要方向。同時鋰離子電解液溶劑對于電池的溫度應用領域和放電倍率具有重要影響，因此對鋰離子電池電解液與功能性添加劑進行設計應用顯得尤為重要。在當前鋰離子電池的組成中，需要重視電解液、功能性添加劑以及正負極材料。電解液作為鋰離子電池的核心組成部分，對于電解液的構成進行優(yōu)化設計，確保電解液的有機溶劑性能能夠得到優(yōu)化。同時針對功能性添加劑對電池的比容工作溫度以及循環(huán)安全性能的影響進行研究分析確保能夠在鋰離子電池的電解液、功能性添加劑以及正負極材料上進行優(yōu)化設計，為鋰離子電池的發(fā)展提供保障。

1 鋰離子電池電解液設計分析

1.1 電解液設計要點

在當前的鋰離子電池的電解液設計分析中，由于有機溶液作為電解液的主要成分，需要根據有機溶液的設計要點進行對比分析。在當前鋰離子電池的電解液性能中，有機溶劑的種類涉及到醚類、烴酸酯類以及碳酸酯類。碳酸酯類在電池電解液有機溶劑中，碳酸酯種類主要涉及到環(huán)狀碳酸酯有機溶劑與鏈狀碳酸酯有機溶劑兩大類。環(huán)狀碳酸有碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯兩種，具有鋰鹽溶解能力強，沸點高等特點，常作為基礎的電解液溶劑，尤其碳酸乙烯酯具有較好的負極成膜能力，是目前電解液的主要溶劑之一。碳酸丙烯酯對石墨剝離，無法大量用于電解液。鏈狀碳酸酯熔點低，黏度低，因此電導率較高，但沸

點較低，不利于電池的高溫性能，因此常與環(huán)狀碳酸酯復合使用，確保鋰離子電池具備良好的工作范圍與安全性[1]。

1.2 電解質設計要點分析

在鋰離子電池的電解質設計要點中，由于電解質作為電解液主要原料之一，直接對鋰離子電池的成膜性能、倍率放電性能、存儲性能、循環(huán)性能等產生直接影響。電解質中的鋰離子性能，決定這電池的物理性能與化學性能。在鋰離子電池的安全設計當中，需要對六氟磷酸鋰進行優(yōu)化設計，確保能夠優(yōu)化電解液的電解質體系，通過對電解液的熱穩(wěn)定以及鋰離子電池循環(huán)進行深入研究，確保鋰離子電池的綜合性能得到有效改善[2]。

2 鋰離子電池電解液功能性添加劑優(yōu)化應用措施

在當前的鋰離子電池電解液功能性添加劑的優(yōu)化設計與應用中，其主要可以通過優(yōu)化電解液導電性能，改善電解質穩(wěn)定性能，提高電解液工作低溫性能、完善電極膜性能、優(yōu)化電池安全性與電解液循環(huán)穩(wěn)定性的優(yōu)化等五方面。

2.1 優(yōu)化電解液導電性能

在鋰離子電池電解液功能性添加劑的優(yōu)化設計當中，需要重視電解液的導電性能的提升。在提升電解液的導電性能上，借助冠醚與鋰離子形成的絡合物，通過提升電解液中鋰離子的溶解度，確保能夠提高大量的游離鋰離子與陰離子，借助鋰離子與陰離子的有效分離，以此提升電解液的導電性能。在鋰離子電解液的導電性能提升中，借助冠醚類混合物的運用，不僅實現電解液導電性提升的作用，同時也能夠降低鋰離子電池充電過程的溶液切合分析，規(guī)避鋰離子電池電解液的氨離子與鋰離子之間發(fā)生的化學反應，通過提升鋰離子的配位性能，以此提升電解液的導電性，確保電池充電與放電過程的導電性能，以此實現電池供電循環(huán)系統的優(yōu)化改善[3]。

2.2 優(yōu)化電解質穩(wěn)定性能

在鋰離子電池電解液功能性添加劑的優(yōu)化設計當中，需要改善電解質穩(wěn)定性能。在提升電解質穩(wěn)定性能當中，需要借助高沸點與不易燃的溶劑添加，通過提升電解質的穩(wěn)定性，從而保證鋰離子電池工作狀態(tài)的完全穩(wěn)定。借助氟代化合物的高閃點與不易燃的特性，在電解液電解質中的添加，能夠有效優(yōu)化電池在放電與充電過程中的性能穩(wěn)定，以此改善有機電解質的穩(wěn)定性。鋰離子電池電解質的有機溶劑借助高介電常數物質的添加，能夠有效地改善添加物的功能性作用。

2.3 優(yōu)化電解液工作低溫性能

在鋰離子電池電解液功能性添加劑的優(yōu)化設計當中，需要提高電解液工作低溫性能。在鋰離子電池的應用上，由于其性能的提升在航天領域以及軍工業(yè)領域得到了一定的應用發(fā)展。由于應用需求對于鋰離子電池的使用范圍進一步的壓縮，導致需要確保鋰離子電池能夠在-40℃的情況下使用，由于當前鋰離子電池的電解液其凝固點在-30℃作用，需要在低溫工作性能上進行優(yōu)化，確保鋰離子電池能夠在低溫工作領域得到應用，從而為鋰離子電池的發(fā)展提供保障。

2.4 優(yōu)化電極膜性能

在鋰離子電池電解液功能性添加劑的優(yōu)化設計當中，需要完善電極膜性能。由于鋰離子電池的正負極材料在工作時，會在電極表面形成鈍化薄膜，通過對于電極膜性能的優(yōu)化，以添加無機鋰鹽來提升電池的工作性能。例如添加少量的碳酸鋰，不僅能夠抑制電解液在工作期間出現的分解狀況，同時也能夠確保電極膜更加穩(wěn)定，有效地防止電極石墨的脫離，從而保證電極/電解質界面膜的穩(wěn)定性。通過添加一些稀釋溶劑，降低鋰離子電池的電解液，確保電解液能夠在電極膜的性能優(yōu)化下，增大高極化下鋰離子遷移數，提高電池低溫及倍率性能。

2.5 優(yōu)化電池安全性與電解液循環(huán)穩(wěn)定性

在鋰離子電池電解液功能性添加劑的優(yōu)化設計當中，需要優(yōu)化電池安全性與循環(huán)穩(wěn)定性。在鋰離子電池的綜合性能優(yōu)化上，需要借助電池添加劑安全性能的改善以及電解液的循環(huán)穩(wěn)定來實現。鋰離子電池的安全性能優(yōu)化需要在添加劑中提高安全性，借助阻燃物質以及高閃點、高沸點的溶劑添加，確保能夠對鋰離子電池的電壓實現過充安全保護。同樣在當前的鋰離子電池的安全性能優(yōu)化上，需要在功能性添加劑中應氧化還原添加劑與聚合單體添加劑來進行阻燃與電壓鉗制，從而確保鋰離子電池的功能添加劑能夠達到良好的安全性保障。在電解液循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)化中，需要借助功能性添加劑的性能測試進行，根據研究可知，當添加劑與電解液形成穩(wěn)定循環(huán)性能上，其電壓電容能夠維持到90%左右。因此在加入功能性添加劑能夠較好改善電池的循環(huán)穩(wěn)定性能，從而加大容量衰減周期，為鋰離子電池的電解液與功能性添加劑的優(yōu)化設計提供保障。

3 新型BFMB材料性能測試驗證

在鋰離子電池的電解液與功能性添加劑的優(yōu)化設計上，借助BFMB進行性能測試。由于BFMB添加劑能夠對電解液起著一個阻燃的作用，因此在鋰離子電池的應用上，其可以明顯提升電池充電的時候電極的熱穩(wěn)定性，通過性能測試，其實際的優(yōu)化性能如圖1所示。

圖1 BFMB功能添加劑熱穩(wěn)定測試

由圖1可知，在鋰離子電池的電解液中，通過添加BFMB功能性添加劑能夠有效地改良電池的熱穩(wěn)定性，通過對負極材料的熱穩(wěn)定性進行優(yōu)化，對于電池負極的自加熱過程進行優(yōu)化，從而顯著提高鋰離子電解液的熱穩(wěn)定性，從而改善鋰離子電池的熱安全性。同樣通過在鋰離子電池的電解液添加BFMB功能性添加劑，通過進行放電充電放電循環(huán)，從而檢驗BFMB對于電池的循環(huán)穩(wěn)定性的影響，由于電池能夠在電容上進行有效維持，從而保證BFMB添加劑能夠作為鋰離子電池電解液的雙功能添加劑。

4 鋰離子電池發(fā)展趨勢

在鋰離子電池的發(fā)展中，由于其具備的電壓高，放電性能穩(wěn)定以及無污染等特性，受到的了廣泛的應用。同樣在鋰離子電池的發(fā)展中，需要完善電池正負極材料的優(yōu)化設計，借助溶劑凝膠法生產的錳酸鋰，其顆粒大小一致，并且形態(tài)、組成、成本相對容易控制，由于其合成的材料顆粒較小，借助納米技術，進行表面包裹優(yōu)化，能夠確保生產的錳酸鋰電極材料顆粒均勻，其結晶度能夠滿足鋰離子電池電解液的優(yōu)化設計，同樣在現有的基礎上，通過優(yōu)化鋰離子電池正負極材料的反應條件，確保能夠得到更加優(yōu)異的電機反應材料，從而為鋰離子電池的發(fā)展提供保障。

5 結語

綜上，在鋰離子電池的電解液優(yōu)化設計方面，需要重視多種有機溶劑的復合使用，確保較寬的溫度適應性能。同樣在電解質的優(yōu)化方面，尋找六氟磷酸鋰的替代鋰鹽或與新型鋰鹽形成復合鋰鹽，確保鋰離子電池的安全性能與穩(wěn)定性能得到提升。通過添加適當的功能性添加劑來改善鋰離子電池的安全性與使用性能，促進鋰離子電池產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。