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      常用鋰電池電解液添加劑及其功能

      文章來源:PNAS普納斯能源官網 人氣:866 發表時間:2024-10-09 15:05:11
      電解液是鋰離子電池四大關鍵材料(正極、負極、隔膜、電解液)之一,是鋰離子電池的“血液”,在電池中正負極之間起到傳導電子的作用,是鋰離子電池獲得高壓電、高比能等優點的保證,電解液在電池質量占比約為15%,...
      此文關鍵字:聚合物鋰電池,鋰電池廠家,鋰電池,充電電池,廠家直供

      電解液是鋰離子電池四大關鍵材料(正極、負極、隔膜、電解液)之一,是鋰離子電池的“血液”,在電池中正負極之間起到傳導電子的作用,是鋰離子電池獲得高壓電、高比能等優點的保證,電解液在電池質量占比約為15%,體積占比約為30%。電解液決定鋰電池的工作機制,對電池的循環效率和壽命、溫度特性、安全性能倍率性能等等各項指標有重要影響。


      成膜添加劑


      添加劑種類:碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)等。


      主要功能:在電池首次充放電過程中,成膜添加劑能在負極表面形成一層穩定的固體電解質界面(SEI)膜。SEI膜能有效防止電解液與負極材料的直接接觸,減少副反應,提升電池的循環穩定性。


      阻燃添加劑


      添加劑種類:磷酸三甲酯(TMP)、六氟磷酸乙酯(FEP)、五氟磷酸丙酯(FPP)等。


      主要功能:鋰離子電池在高溫或過充等情況下容易發生熱失控,導致起火或爆炸。阻燃添加劑可以降低電解液的燃燒傾向,提高電池的熱穩定性和安全性。


      高電壓添加劑


      添加劑種類:硫酸乙烯酯(VEC)、雙(三氟甲基磺酰)亞胺鋰(LiTFSI)等。


      主要功能:在高電壓條件下,電解液容易分解,影響電池的壽命。高電壓添加劑可以提高電解液的穩定性,減少分解產物,提高電池的高電壓性能和循環壽命。


      過充保護添加劑


      添加劑種類:對苯二甲腈(PTMN)、對二甲基苯甲酸(DMTB)等。


      主要功能:在電池過充時,這類添加劑能迅速反應,形成一種阻礙電子傳導的絕緣膜,防止電池繼續過充,起到過充保護作用,提升電池的安全性。


      導電添加劑


      添加劑種類:碳酸乙烯酯(EC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、氟磺酸鋰(LiFSI)等。


      主要功能:導電添加劑可以提高電解液的離子導電性,降低電池的內阻,提升電池的倍率性能和低溫性能。


      鋰沉積抑制劑


      添加劑種類:乙烯碳酸酯(EC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、三氟乙酸酯(TFAE)等。


      主要功能:在快速充電和高倍率放電過程中,鋰金屬容易在負極表面析出,形成鋰枝晶,導致短路和安全隱患。鋰沉積抑制劑能在負極表面形成一層保護膜,抑制鋰枝晶的形成,提升電池的安全性和壽命。


      產業結構鏈


      添加劑的種類繁多,不同的鋰離子電池生產廠家對電池的用途,性能要求不一,其制備添加劑的原材料以及其配比側重點也存在差異。添加劑產業鏈主要包括上游的原材料,包括碳酸亞乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、環狀化合物、雙(氟代磺酰)亞胺鋰等;中游生產制造包括成膜添加劑、阻燃添加劑等成品;下游是終端產品應用包括液態電解液、凝膠電解液和固態電解液等等。


      新型添加劑原材料


      隨著三元材料中鎳含量的升高,熱分解溫度降低,放熱量增加,導致六氟磷酸鋰分解成氟化鋰和五氟化磷。另一方面,鎳含量升高時電極上氫氧化鋰與碳酸鋰含量升高,氟化鋰與六氟磷酸鋰反應生成氫氟酸,導致電池產生嚴重的氣脹,對軟包電池影響過大。


      雙氟磺酰亞胺鋰(LiFSI)作為鋰電池電解液中的新型原材料,能非常有效的改善電池循環和高低溫等性能,抑制氫氟酸產生,減緩六氟磷酸鋰分解,增加電池安全性的同時延長電池使用壽命,是作為溶質的最佳材料,但是其價格高昂,目前僅作為添加劑與LiPF6混合使用。


      常用鋰鹽添加劑產品


      目前高鎳三元鋰電池存在熱穩定性差、吸水性強等缺點,部分添加劑可以降低電極表面活性、改善界面相容性,例如LiODFB能提高高低溫性能,略微提高鋰電池的比容量;LiFS作為新型鋰鹽的一種,也可以作為新型添加劑使用;此外,還有LiBOB、TMSP等多種添加劑都能顯著改善鋰電池的各項性能指標。添加劑已經成為電解液差異化的主要途徑之一,差異化帶來的產品附加值提升是電解液產商核心競爭力之一。


      全球市場需求


      VC(碳酸亞乙烯酯)與FEC(氟化碳酸乙烯酯)和PS(亞硫酸丙烯酯)為三大類主要的電解液添加劑,在電解液中質量占比 5%左右。根據GGII數據,目前電解液添加劑VC持續供不應求,當前市場VC短缺成為電解液產量的瓶頸,環保和長周期投資延緩供給擴張,鐵鋰需求回升,加劇VC供需緊張局面。


      新型鋰鹽是未來方向


      六氟磷酸鋰是目前鋰電池普遍采用的鋰鹽,然而在使用過程中,也存在熱穩定性較差,遇水容易分解等缺點。雙氟磺酰亞胺鋰(LiFSI)熱穩定性高,耐水解、電導率高,其作為添加劑加入六氟磷酸鋰電解液中,一方面通過抑制電解液中氟化氫生成,阻斷六氟磷酸鋰的緩慢持續分解,實現電解液化學穩定性的實質性提升;另一方面通過提高電解液的導電率和發揮其獨特的SEI成膜能力,不僅提升了電池循環能力,而且有效提高電池的低溫放電性能、以及高低溫保存后的容量保持率,同時還有抑制膨脹的效果。


      目前雙氟磺酰亞胺鋰(LiFSI)具備產業化生產條件,無論是作為添加劑,或者是作為核心溶質,是六氟磷酸鋰的最佳替代品。

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