鋰離子電池電解液的碳酸酯溶劑與氟代溶劑的安全性分析比較

1、鋰離子電池電解液的碳酸酯溶劑與氟代溶劑的安全性分析比較第一章緒論1.1引言能源、環(huán)境和信息技術是21世紀科技發(fā)展的三大主題。從人類文明開始，能源的開發(fā)和利用就與人們的生活方式及生活質量密切相關。人類進入工業(yè)化社會以來，礦物能源 （煤與石油 ） 的消耗巨大，內燃機車輛每年所消耗的石油占全球能源年消耗量的I 3伴隨著礦物燃料的巨大消耗和資源的日益枯竭，溫室效應和空氣污染以及對入類的生存環(huán)境構成了嚴重的威脅。因此，研究和開發(fā)高效、安全、無污染的新型能源成了世界各國政府和科技工作者共同關心的課題。此外近年來。隨著微電子技術的迅猛發(fā)展，電子儀器設備在不斷地小型化和輕便化，如筆記本電腦、數(shù)碼照相機、手機和

2、無繩電話等，這對電池行業(yè)提出了更高的要求，迫切要求電池高容量、長壽命、高安全和環(huán)境友好。鋰離子電池就是在這個背景下發(fā)展起來的，并在短短的十幾年內，迅速的成為了能源行業(yè)的關注焦點。1.2 鋰離子電池簡介鋰離子電池相對傳統(tǒng)的水溶液二次電池而言，具有比能量高，循環(huán)壽命長和對環(huán)境友好的顯著優(yōu)點，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ碾姵伢w系，目前已經(jīng)在移動電話、筆記本電腦等便攜式電子產品上得到了廣泛應用。隨著2007 年 6 月歐盟電池指令草案的通過，鋰離子電池也開始逐步進入無繩電動工具市場。同時，近年來由于環(huán)境和石油等問題日益突出，以各種二次電池為動力的電動車和混合動力車越來越受到了人們的重視，由于以磷酸鐵鋰為正極材

3、料的鋰離子電池具有相當好的安全性和比能量，因此成為各種電動車電源的首選。同時由于價格便宜，使得磷酸鐵鋰鋰離子電池單位能量的價格大幅下降，這樣相對氫鎳電池受鎳價格大幅波動的影響以及鉛酸、鎘鎳電池的高污染而言，鋰離子電池表現(xiàn)出越來越強勁的競爭力。圖至圖 4 為幾種不同的鋰離子電池鋰離子電池的工作原理與鋰二次電池相比，鋰離子電池正負極材料均采用鋰離子可以自由嵌入和脫出的具有層狀或隧道結構的鋰離子嵌入化合物，充電時，Li+從正極逸出，嵌入負極，放電時，Li+則從負極脫出,嵌入正極，即在充放電過程中，Li+在正負極間嵌入脫出往復運這種電池被稱為搖椅”或 羽毛球”電池（Shuttlecock ” batt

4、eTy版上，鋰離子電池是一種濃差電池，在充電狀態(tài)下負極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)，隨著放電進行，Li+從負極脫出，經(jīng)過電解質嵌入正極；放電時，正極處于富鋰態(tài)，負極處于貧鋰態(tài)，隨著放電的進行，Li+從正極脫出，經(jīng)過電解質嵌入負極。鋰離子電池的電極反應表達式如下：其工作原理可由圖 5 形象地表示出來。鋰離子電池在工作時，只有鋰離子在正負極活性物質中嵌入和脫出，不再有金屬鋰的溶解與還原，從根本上 消除了枝晶鋰生成的客觀條件，所以它克服了鋰二次電池安全性差、壽命短的缺點，同時又保留它的一切優(yōu) 點，諸如電壓高、比能量高、體積小、重量輕等。鋰離子電池電解液鋰離子電池電解液就像人體的。血液” 一樣把電池的各

5、個部分連接成一個有機的整體閘。在電池中承擔著正負極間傳遞電荷的作用，它對電池的比容量，工作溫度范圍，循環(huán)效率及安全等性能至關重要。鋰離子電池電解液由高純有機溶劑、電解質鋰鹽和必要的添加劑組成。有機溶劑是電解液的主體部分，電解液的性能與之密切相關，一般用高介電常數(shù)和低粘度溶劑混合使用。常用電解質鋰鹽有高氯酸鋰（LiCl04）、六氟磷酸鋰（LiPF6）、四氟陽f酸鋰（LiBF4）、六氟碎酸鋰（LiAsF6將。一般作為實用鋰離子電池的有機電解液應該 具備以下性能 1】：（1）離子電導率高，一般應達到10習2X103s cm1 ;鋰離子遷移數(shù)應接近1; （2）電化學穩(wěn)定的電位范圍寬，必須有 。5V的電

6、化學穩(wěn)定窗口；（3）熱穩(wěn)定好，使用溫度圍寬；（4）化學性能穩(wěn)定，與電池內部集流體和活性物質不發(fā)生化學反應； （5）安全低毒，最好能夠生物降解。改善和提高電解液性能的主要措旌有：（1）合成具有高介電常數(shù)的有機溶劑，以提高電解質的溶解度和電解液的導電率；合成各種新的電解質鋰鹽。如LiN（CF3s02）2和LiC（CF3s02）3-類的鹽；（3）尋找新的電解液添加劑,如冠醚和穴狀配合物等復雜結構化合物。1.31 鋰離子電池電解液的碳酸酯溶劑和氟代溶劑目前，在商品化的鋰離子電池中應用最廣泛的電解液是將導電鋰鹽 LIPF6溶解在以碳酸乙烯酯（EC為基礎的二元或三元的混合溶劑。這些溶劑一般是有機碳酸酯系列

7、，包括：二甲基碳酸酯（DMC）、二乙基碳酸酯（DE。、甲基乙基碳酸酯（EMC）、碳酸丙烯酯（PC）等【2】。使用上述有機溶劑主要是基于以下事實：（1）LIPF6不與溶劑反應并且能使集流體AI發(fā)生鈍化起到保護作用；（2）EC具有高的介電常數(shù)，能夠提供較高的離子導電率；（3）線型碳酸酯能有效降低電解液的粘度，并且有助于在碳負極表面形成穩(wěn)定的SEI膜（固體電解質相界面膜）。而通過在常用有機溶劑分子中引進鹵素原子，可以降低有機溶劑的可燃性，甚至使其完全不燃燒【 3】 。 Smart等【 4】通過研究一系列部分被氟取代或完全被氟取代的有機碳酸酯溶劑，證實了普通有機溶劑在引入氟元素 之后，溶劑的物理性質發(fā)

8、生了很大的變化，如溶劑的凝固點降低、抗氧化的穩(wěn)定性提高、有利于在碳負極表面形成SEI膜。并且Keiichi【5】等提出用鹵素原子取代PC分子中甲基的氫原子，得到新的化合物如三氟甲基乙烯（F3C-EC）具有非常好的物理和化學穩(wěn)定性，而且還具有較高的介電常數(shù)，不易燃燒，可作為不可燃溶劑用于鋰離子電池中。 Arial等【6】報道，三氟代碳酸丙烯酯 （TEPC用作鋰離子電池的共溶劑可以改善電池安全 性，而且CI-ECZTEPC電解液無論在 Li/C還是Li/Li1+xMn204電池中均顯示出較好的放電容量和較低的不可逆 容量。第二章碳酸酯溶劑和氟代溶劑的安全性分析與金屬鋰二次電池相比,鋰離子電池的安全性有了很大的提高,但仍然存在許多隱患。擴大鋰離子電池的商品化程度,電池的安全性能不容忽視。對鋰離子電池的安全保護通常是采用專門的充電電路來控制電池的充放電過程,防止電池過充放;也