探究锂离子电池电解液中杂质含量对电池的影响及除杂技术

2020-01-15王芳天津金牛电源材料有限责任公司天津300400

化工管理 2020年6期

王芳（天津金牛电源材料有限责任公司，天津300400）

近几年里，锂离子电池因其本身低污染、长寿命等特点得到了广泛应用，电解液作为其中重要组成部分，不仅起到了存储作用，也承担了能量转化的作用。研究发现，锂电子电池电解液中存在很多杂质离子，会对其性能造成极大的负面影响。因此，需要加强对杂质含量和除杂技术的分析，以提高电池的稳定安全性。

1 锂离子电池电解液中杂质含量实验准备

如果想要进一步研究锂离子电池和电解液中杂质含量的关系，需要采用不同杂质含量的电解液制备出锂离子电池。在正式实验前，需要制备LiMn2SO4正极材料极片以、MCMB 负极材料极片，同时完成纽扣电池的组装。在此基础上，对电解液性能以及电池电化学性能进行测试，主要包括以下几个测试：电解液电导率测试、电解液酸度测试、线性福安扫描法以及电化学阻抗测试。分别利用电导率测试仪、酸度计、电化学工作站以及线性伏安扫描法等仪器和方式完成上述测试工作。

2 锂离子电池电解液中杂质含量实验分析

2.1 实验基本数据

锂离子电池可以在电动车辆、混合动力电动车辆中得到广泛应用，但在实际生产过程中，电解液中的杂质是导致其失效的主要原因之一。有研究表明，杂质的沉积会导致电池性能链状劣化，还会导致石墨电极表面形成的SEI膜被破坏，只有通过除杂技术，来抑制杂质沉积对电池循环寿命造成的影响。利用天津金牛电源材料有限责任公司提供的电解液的进行实验，为了更好的进行对比分析，其中一组电解液中含有30mgL-1的杂质浓度，另一组则完全不含杂质，通过具体配置工作，让电解液中杂质含量分别保持在：0mgL-1、20mgL-1、34.5mgL-1、51.5mgL-1、70.5mgL-1这几个层次，并且对制备好的电池进行测试。按照前文的实验测试顺序，分别完成了电解液性能以及电池电化学性能测试、电极表面形貌和组分测试。

2.2 数据结果分析

2.2.1普通的电解液电池

根据实际结果情况来看，不含杂质的电解液半电池更具稳定性，经过50个循环后，不含杂质电解液的半电池容量保持率为87.8%，而含有杂质电解液的半电池容量为48.9%。由此可知，杂质的存在导致了严重的容量衰减。造成这一情况的主要原因在于杂质的增加，会产生副反应，从而让电荷消失速度加快，容量衰减，不仅如此，不含杂质电解液的半电池初始放电容量和充电容量分别为381.3mAhg-1以及301.3mAhg-1，其中含有不可逆容量损失为80mAhg-1，而含有杂质电解液的半电池初始放电容量和充电容量分别为371.5mAhg-1以及293mAhg-1，其中含有不可逆容量损失为78.5mAhg-1，经过50 个循环后，这种差异逐渐加大，最终不可逆损失分别达到35.3mAhg-1以及4.5mAhg-1。在对SEI 膜阻抗进行调查过程中发现，不含杂质电解液的SEI 膜阻抗为297.6Ω，而含有杂质电解液的半电池容量为972.12Ω。根据这一数据可以看出，含有杂质的电解液明显增加了界面阻抗。总的来说，含有杂质的电解液并不利于电池制备工作，会对电池的正常使用造成严重的负面影响。

2.2.2 LiBOB-SL/DEC电解液电池

在上述内容的基础上，进一步分析不同杂质含量的Li⁃BOB-SL/DEC 电解液体系对电池容量衰减、电池EIS 以及电极表面SEI 膜进行分析。根据实际情况上看，这一电解液相比较上述电解液的放电容量更加稳定。由此可知，LiBOB-SL/DEC电解液可以有效抑制杂质在石墨电极表面沉积，虽然依然放电容量依然有一定程度的降低，但整体上看，效果得到发幅度改善，电解液的氧化分解被充分抑制，充放电率借鉴100%。从具体数据可知，当放电率为0.2C时，LiBOB-SL/DEC电解液中的杂质含量分别为：0mgL-1、20mgL-1、34.5mgL-1、51.5mgL-1、70.5mgL-1时，放电容量分别保持在98%、95%、92%、86%、80%。然后在失稳状态下，进一步分析杂质含量对电化学阻抗带来影响，根据具体数据来看，不含杂质LiBOB-SL/DEC 电解液SEI 膜阻抗为560Ω。由此可以爱看胡扯，虽然起到，而一定的抑制作用，但随着杂质含量的增加，依然会出现一定的影响，但相比较普通的电解液来看，LiBOB-SL/DEC电解液可以形成有效的保护膜，抑制杂质沉积。

3 锂离子电池电解液的除杂技术对策分析

3.1 Li2SO4预处理

锂离子电池如果想要得到更好的应用，就要优化电解液体系，根据上述实验结果已经证明SEI 膜改性可以有效降低杂质的负面影响，改善电极损伤情况，并且提高长期循环能力。因此，本文提出在石墨阳极上进行Li2SO4预处理，从而有效提高循环性能，切实抑制杂质对电池性能产生破坏和影响。根据具体实验测试情况来看，利用喷雾沉积技术，配合Li2SO4水溶液对石墨电极表面进行预处理后，不仅循环性能和容量保持率得到有效提高，界面阻抗也相对较低。从实际情况上看，预处理后，杂质含量下降，都具有了非常明显充放电平台，预处理后的石墨电极半电池的初始放电容量和充电容量分别为313.5mAhg-1以及253mAhg-1，由此可知每个循环的平均衰减容量为1.0mAhg-1。没有经过预处理的石墨电极半电池的初始放电容量和充电容量分别为329.5mAhg-1以及168.8mAhg-1，由此可知每个循环的平均衰减容量为4.0mAhg-1。需要注意的是，前者经历了60 个循环，而后者仅经历了40 个循环。根据具体的电化学性能测试、阻抗测试、SEI膜形貌分析以及SEI膜的成分分析情况来看，经过Li2SO4预处理后的石墨电极，其表面的SEI 膜薄而稳定且富有弹性电化学性能得到根本上的提高，也能够更好的适应电化学体积变化。

3.2 锂化分子筛

除了利用Li2SO4预处理石墨电极之外，在制备过程中，也可以采取一些脱出基础，但在脱除杂质的过程中很有可能会引入大量的钠离子，可以采用锂化分子筛，利用其筛除杂质。在此基础上，让其和六氟磷酸锂进行反映，会让氟化氢进行初步的脱除，同时，其他金属离子也会和锂化分子筛的锂离子发生交换，进一步降低离子含量。切实保证有机电解液中的水含量小于0.002%。为了保证杂质筛除效果，可以对相应的杂质进行检测，避免除杂工作出现问题。

3.3 除杂装置

除了上述两种方式之外，还可以利用电解液连续净化除杂装置，利用注液槽、吸附球、净化柱、沉降池、集液桶和除气泡等机械结构，完成高效的除杂工作技术。有机电解液作为锂离子电池最为重要的组成部分，加强其杂质净化能力，提高电池电化学性能，是现阶段的重点，可以有效避免整个电池遭到破坏。具体的工作流程如下：第一步，将待净化除杂的电解液注入到注液槽内，然后液体就会依次经过吸附球、净化柱和沉降池等结构，此时电解液中的杂质就会被吸附去除。第二步，在循环泵的作用下，经过一次净化的电解液重新回到注液槽内，再次进行净化，如此循环反复。第三步，净化除杂完成的电解液进入到集液桶中，经过除气泡装置去除电解液中气泡，此时电解液中的杂质基本降至最低。