锂电池电解液详解

1、电解液基础知识讲座电解液基础知识讲座刘道坦刘道坦2007.1.19主要内容主要内容1. 锂离子电池电解液简介2. 电解液的基本组成及成分性质 3. 电解液的设计4. 电解液使用的若干问题一）锂离子电池电解液简介一）锂离子电池电解液简介锂离子电池的工作原理LiMO2CarbonAlCu1. 1 前言前言电解液的环境1. 2 电解液的分类电解液的分类1.3 有机电解液的性能要求有机电解液的性能要求1，离子电导率高，离子电导率高2，电化学稳定的电位范围宽，电化学稳定的电位范围宽3，热稳定性好，工作温度范围宽，热稳定性好，工作温度范围宽 4，化学稳定性好，与集流体及活性物质不反应，化学稳定性好，与集流

2、体及活性物质不反应5，无毒，无环境污染，无毒，无环境污染6，价格便宜，价格便宜 电解液有机溶剂（解离锂盐、提供Li+传输介质）添加剂（少量使用，改善性能）锂盐（提供载流子：Li+）2.1 简介简介2. 2 锂盐锂盐分类分子式备注无机阴离子盐LiPF6应用最广应用最广LiBF4 不稳定，电导率低LiClO4 高温或高电压危险LiAsF6有毒有机阴离子盐LiCF3SO3，LiN(C2F5SO2)2,LiC(CF3SO2)3 LiN(CF3SO2)2等 腐蚀集流体LiPF3(C2F5)3, Li(C4F9SO2)(CF3SO2)N等合成困难或价格昂贵LiBOB 等成膜性能好，溶解度低解离常数大小为L

3、iN(CF3SO2)2 LiAsF6 LiPF6 LiClO4 LiBF4LiCF3SO3 离子导电性大小为LiAsF6 LiPF6 LiN(CF3SO2)2 LiClO4 LiBF4 LiCF3SO3 热稳定性顺序为LiAsF6 LiCF3SO3 LiBF4 LiClO4 LiN(CF3SO2)2 LiPF6 名称结构分子量/g溶点/在溶剂中的分解温度/是否腐蚀铝箔LiBF493.9293100NLiPF6151.920080(EC/DMC)NLiAsF6195.9340100NLiClO4106.4236100NLi+CF3SO3-简称LiTf-155.9300100YLi+N SO2CF

4、3)2-简称LiTPSI-286.9234b100Y一些常见电解质锂盐的物理化学性能一些常见电解质锂盐的物理化学性能2. 3 电解液有机溶剂电解液有机溶剂锂离子电池所用的有机溶剂为不与锂反应的非质子溶剂常用有机溶剂1. 烷基碳酸酯烷基碳酸酯 alkyl carbonate 碳酸乙烯酯 EC, 碳酸丙烯酯 PC, 碳酸二甲酯DMC,碳酸二已酯 DEC, EMC等2. 醚 ether 二甲醚DME, 四氢呋喃THF 等3. 酯 ester 甲基已酸酯 MA 甲基丙酸酯 MP等常用碳酸酯有机溶剂的物理化学性质常用碳酸酯有机溶剂的物理化学性质redox电解液成分Composition分子量熔点/oC沸

5、点/oC闪点oC氧化还原窗口Vs. SCE介电常数/F.m-1密度g.cm-3粘度/cpDNAN结构图碳酸乙烯酯Ethylene carbonateEC88.637248160-3.03.289.7820/oC1.3211.916.4 丙稀碳酸酯propylenePC102-49242128-3.03.6651.2042.515.118.4二甲基碳酸酯DMC90.139021.7-3.03.73.1041.0730.5915.13.6二乙基碳酸酯DEC118.1-4312725-3.03.72.80.9750.75162.6乙基甲基碳酸酯EMC104.1-5510823-3.03.72.957

6、1.00.652. 4 添加剂添加剂 特点：(1) 较少用量即能改善电池的一种或几种性能；(2) 对电池性能无副作用，不与电池中其它材料发生副反应；(3) 与有机溶剂有较好的相溶性，甚至能完全溶于其中；(4) 价格相对较低；(5) 无毒性或毒性较小。 用量少，见效快 多功能添加剂多功能添加剂 阻燃添加剂阻燃添加剂 过充电保护添加剂过充电保护添加剂 SEI成膜添加剂成膜添加剂 导电添加剂导电添加剂 控制电解液中水和控制电解液中水和HF含量的添加剂含量的添加剂 改善高低温性能的添加剂改善高低温性能的添加剂 添加剂的种类添加剂的种类2.4.1 SEI成膜添加剂固体电解质相间界面(solid elec

7、trolyte interphase),简称SEISEI 膜的化学组成、结构、织构和稳定性等物理化学性质是决定锂离子电池碳负极/电解液相容性的关键，优化SEI 膜性质，实现电解液与电极间良好的相容性和拓宽电解液的种类是锂离子电池的重要发展方向之一，锂电极表面SEI膜的生成过程示意图负极表面的负极表面的SEI膜膜FTIR光谱分析光谱分析正极表面的SEI膜FTIR光谱分析无机成膜添加剂无机成膜添加剂碳酸酯有机成膜添加剂有机成膜添加剂气体添加剂；CO2, SO2等硫代有机溶ES 亚硫酸乙烯酯等卤代有机成膜添加剂卤代EC氯甲酸甲酯等VC：碳酸亚乙烯酯等：碳酸亚乙烯酯等成膜添加剂成膜添加剂石墨电极循环伏

8、安图(a)不含 VCb) 含 5% VC首次充电过程中先于溶剂化锂离子插层建立起优良的SEI 膜，允许锂离子自由进出电极而溶剂分子无法穿越，从而阻止溶剂分子对电极的破坏，提高电极的嵌脱锂容量和循环寿命Comparison of the RseiE plots for the Li/graphite cells without and with vinylene carbonate, which were recorded during the first cycle. 2.4.3 稳定剂稳定剂与H2O或HF作用，降低H2O与LiPF6的作用2.4.4 改善高低温性能的添加剂改善高低温性能的添加

9、剂2.4.5 导电添加剂导电添加剂与锂离子或者锂盐阴离子作用，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 2.4.2 过充电保护添加剂过充电保护添加剂具有氧化还原电对：邻位和对位二甲氧基取代苯；聚合增加内阻，阻断充电 ，如联苯、环己基苯等等2.4.6 阻燃添加阻燃添加剂剂高沸点、高闪点和不易燃的溶剂 如：磷酸三甲酯，磷氮烯(Phosphazene) (1)有机磷化物 (2)有机氟代化合物 如： CH2F-EC、CHF2-EC和CF3-EC (3)卤代烷基磷酸酯 烷基磷酸酯中的部分氢原子用氟原子取代 2.4.7 多功能添加剂多功能添加剂具有上述一种或

10、多种功能的添加剂2. 5 电解液的成分分析电解液的成分分析有机成分分析采用气相色谱/质谱（GCMS）锂盐的分析采用原子吸收光谱(AAS)或化学滴定的方法三、电解液的设计三、电解液的设计电解液设计重点：电解液设计重点：1. 离子传输性质2. 电化学稳定性： 电化学窗口3. 工作温度区间4. 安全特性3.1 电解液离子传输性质iiiireZU6:粘度粘度iiiiucZNe离子电导率离子电导率r :离子半径iU:离子的迁移率离子的迁移率关注要素：锂盐的解离能力电解液的溶剂化能力体系的粘度ic:离子浓度离子浓度离子的溶剂化自由能离子的溶剂化自由能)11 (8)(02rrZeNG阿佛加德罗常数离子的电荷

11、真空介电常数溶剂的比介电常数离子半径0rrZeN越大，锂离子溶剂化自由能越负，越容易解离，小于 20时，锂盐解离较少，r溶剂中锂离子与阴离子的作用力溶剂中锂离子与阴离子的作用力溶剂介电常数越高，锂离子与阴离子间距离越大，它们相互作用力就越弱，越容易解离，自由锂离子数就越多介电常数越大，极性越大，溶剂-溶剂作用越强，溶液粘度越高，越不利于锂离子的传输锂盐的解离能力锂盐的解离能力溶剂对离子的溶剂化的影响被人定义为DN（donicity number）和AN（Acceptor Number)两个参数，DN值是指在1,2二氯乙烷中按照下式反应的焓的变化值( )molkJ/,H有机溶剂的溶剂化能力有机溶

12、剂的溶剂化能力电解液电导率电解液电导率LiPF6在一元溶剂中的电导率在一元溶剂中的电导率1MLiPF6的不用溶剂体系的电导率1MLiPF6在不同二元有机溶剂中的电导率锂盐浓度对电导率的影响锂盐浓度对电导率的影响20oC时不同锂盐在时不同锂盐在PC:DME(1:1, V/V)中的电导率中的电导率 3.2. 电化学稳定性电化学稳定性电解质窗口的响应能级和电极中的电化学位的关系电解质窗口的响应能级和电极中的电化学位的关系a) 固体反应体系和液体电解质b) 液体和气体反应体系和固体电解质 电化学窗口电化学窗口1. 有机溶剂氧化电位 通常alkyl carbonates esters ethers 关注

13、要点关注要点2. 钝化活性物质表面SEI膜3. 抗氧化与抗还原能力的平衡3. 3 工作温度区间工作温度区间关注要点1. 有机溶剂的物理性质，熔点、沸点等2. 高温下对活性物质表面SEI膜的影响3. 安全问题：放热、电极-溶剂作用1MLiPF6多元有机体系中的电导率多元有机体系中的电导率3. 4 安全特性安全特性1. 可燃性2. 过充、过放、短路问题3. 电解液氧化还原反应的放热、热失控问题4. 高温下电极/电解液反应导致的热失控、爆炸关注要点四) 电解液使用的若干问题HF与正极氧化物材料反应破环电极活性物质破环电极活性物质破环破环SEI膜膜消耗电解液消耗电解液HF+ROLi LiFROH2RO

14、CO2Li+H2O Li2CO3+CO2+2ROHROCO2Li2HF nLiF+ROHH2CO3ROH Li2CO32HF LiFH2CO3POF3 + ne- + nLi+ LiF+LixPOFyLiPF6 LiF + PF5H2O + e- + Li+ LiOH+ 1/2H2PF5+H2O 2HF+POF3PF5 ne nLi LiF LixPFy消耗电解质消耗电解质vH2O, HF的影响的影响导致电池胀气、极化增大、容量衰减、循环性降低等导致电池胀气、极化增大、容量衰减、循环性降低等正常电解液保存不当，变色变色电解液v变色指标项目指标项目锂电池要求指标锂电池要求指标（1010-6-6）

15、测定方法测定方法水分 20Karl Fischer 法酸值（HF） 50中和滴定法科研环境生产环境手套箱手套箱烘箱电解液的可燃性电解液的可燃性 闪点：在规定试验条件下，液体或固体表面能产生闪燃的最低温度闪点测定法分开口杯和闭口杯两种。一般轻质油多用闭口杯法。重质油多用开口杯法。开杯法比闭杯法测定结果高约1030。闪点是保证安全的指标，油品预热时温度不许达到闪点，一般不超过闪点的2/3。 从消防观点来说，液体闪点就是可能引起火灾的最低温度常用有机溶剂的物理化学性质常用有机溶剂的物理化学性质redox电解液成分Composition分子量熔点/oC沸点/oC闪点闪点oC氧化还原窗口Vs. SCE介

16、电常数/F.m-1密度g.cm-3粘度/cpDNAN结构图碳酸乙烯酯Ethylene carbonateEC88.637248 160-3.03.289.7820/oC1.3211.916.4 丙稀碳酸酯propylenePC102-49242128-3.03.6651.2042.515.118.4二甲基碳酸酯DMC90.139021.7-3.03.73.1041.0730.5915.13.6二乙基碳酸酯DEC118.1-4312725-3.03.72.80.9750.75162.6乙基甲基碳酸酯EMC104.1-5510823-3.03.72.9571.00.65电解液燃烧试验电解液燃烧试验

17、1.作业场所保持空气干燥和通风良好。2.吸湿性强，干燥环境下（水份小于20ppm）打开使用。3.易燃，严禁一切明火，防高温，防静电。4.操作中安全防护措施要齐全，一旦沾染，即刻用大量 清水冲洗。使用方法和注意事项使用方法和注意事项贮存及运输条件贮存及运输条件应处于干燥通风的环境中，避免曝晒、雨淋，严禁烟火。小型容器大型容器气体生成问题气体生成问题1，预充化成阶段生成的气体2，正常使用时生成的气体3，过充时生成的气体1）预充、化成生成的气体）预充、化成生成的气体2EC+2e-+2Li+ (CH2OCO2Li)2 + CH2=CH2DMC+ e-+Li+ CH3OCO2Li + CH3*2PC+2e-+2Li+ CH3CH(OCO2Li)CH2(OCO2Li)+ CH3CH2=CH22CO2 + 2e- + 2Li+ Li2CO3 + COCH3*+H+ +e- CH42CH3* CH3CH3H2O+ (CH2OCO2Li)2 Li2CO3 + CO2 + 2CH2OH2)正常充放