鉅大LARGE | 點擊量：701次 | 2021年12月16日
聯(lián)合研究小組開發(fā)多功能分離器 讓電池可以在普通環(huán)境下組裝生產(chǎn)
2020年諾貝爾化學(xué)獎的榮譽屬于那些開發(fā)鋰離子充電電池的人。這些電池已經(jīng)成為從小型IT設(shè)備到電動汽車等電子設(shè)備必不可少的能源。美國領(lǐng)先汽車制造商特斯拉（Tesla）最近強調(diào)，必須建立創(chuàng)新的生產(chǎn)體系，降低電池成本。電池價格占電動汽車的很大一部分，降低成本對電動汽車的普及至關(guān)重要。
一個由樸淑珍教授和博士后化學(xué)系博士候選人宋慧斌（HyeBinSong）與蔚山學(xué)院（UlsanCollege）柳承敏（SeungminYoo）教授領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究小組成功地開發(fā)了一種多功能分離器，即使在環(huán)境空氣中組裝袋式電池，電池也能正常工作。
由于電池內(nèi)部的電解液會與濕氣發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致電池劣化，因此鋰離子電池通常是在干燥的室內(nèi)組裝的，而干燥的室內(nèi)的濕度保持在1%以下。然而，保持干燥的房間是相當(dāng)昂貴的。
為了解決這個問題，研究人員通過向電解液中注入添加劑來抑制水分或氫氟酸等雜質(zhì)。但在電池運行過程中，這些會引起不必要的副反應(yīng)。事實上，當(dāng)電池在高溫（50°C或更高）下激活時，即使是一點點水分也會導(dǎo)致性能更快的惡化。因此，需要一種能夠捕獲電池中的水分和雜質(zhì)而不對添加劑產(chǎn)生不利的電化學(xué)反應(yīng)的材料。
為此，聯(lián)合研究小組引入了功能材料，可以將雜質(zhì)截留在分離器表面，從而提高熱穩(wěn)定性，改善電池性能。該多功能分離器表現(xiàn)出優(yōu)異的耐熱性（在140℃下儲存30分鐘后收縮率在10%以內(nèi)。傳統(tǒng)分離器具有50%的收縮率），并且在55℃的高溫下進(jìn)一步顯示出改進(jìn)的電化學(xué)性能（100次充電循環(huán)后保持初始容量的79%）。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
此外，研究人員還證實了在充滿雜質(zhì)的環(huán)境中，電解液中功能材料的有效性。合成的功能陶瓷表面的硅烷化合物能很好地截留水分，保持陶瓷的結(jié)構(gòu)，但一般陶瓷材料會受到酸化電解液的腐蝕。此外，通過這項研究，研究小組證實，這一次在環(huán)境空氣中生產(chǎn)的多功能分離器比傳統(tǒng)分離器具有更高的使用壽命，證實其性能穩(wěn)定，超出了簡單分離器的作用。
“這種新開發(fā)的多功能隔膜在高能量密度下表現(xiàn)出極大的穩(wěn)定性和優(yōu)異的電化學(xué)性能?！遍L期以來一直通過各種方法研究電池隔膜的樸素金教授說這是第一個在環(huán)境空氣中制造電池的成功案例，有望在降低電池成本方面發(fā)揮重大作用。
電解質(zhì)對電池性能的影響
電解質(zhì)通過促進(jìn)離子在充電時從陰極到陽極的移動以及在放電時反向的移動，充當(dāng)使電池導(dǎo)電的催化劑。離子是失去或獲得電子的帶電原子。電池的電解質(zhì)由液體，膠凝和干燥形式的可溶性鹽，酸或其他堿組成。電解質(zhì)也來自聚合物，如固態(tài)電池，固態(tài)陶瓷和熔融鹽（如鈉硫電池）中使用的聚合物。
鉛酸電池
鉛酸鉛酸電池使用硫酸作為電解質(zhì)。充電時，隨著正極板上形成氧化鉛（PbO2），酸變得更濃，然后在完全放電時變成幾乎水。用比重計測量硫酸的比重。（另請參閱BU-903：如何測量荷電狀態(tài)）。鉛酸電池有溢流和密封形式，也稱為閥控鉛酸（VRLA）或免維護(hù)。
硫酸是無色的，略帶黃綠色，可溶于水，具有強腐蝕性。陽極腐蝕或水進(jìn)入電池組后會生銹，從而導(dǎo)致顏色偏黃。
鉛酸電池具有不同的比重（SG）。深循環(huán)電池使用的SG高達(dá)1.330的致密電解質(zhì)來實現(xiàn)高比能量，入門電池的平均SG約為1.265，而固定電池的SG較低，約為1.225，以緩和腐蝕并延長使用壽命。（請參閱BU-903：如何測量荷電狀態(tài)。）。
鎳鎘電池（NiCd）
NiCd中的電解質(zhì)是堿性電解質(zhì)（氫氧化鉀）。大多數(shù)NiCd電池是圓柱形的，其中將正極和負(fù)極的多層材料纏繞成果凍卷。NiCd的淹沒版本用作商用飛機和在需要頻繁循環(huán)的冷熱氣候下運行的UPS系統(tǒng)中的船用電池。NiCd比鉛酸貴，但使用壽命更長。
鎳氫電池（NiMH）
NiMH使用與NiCd相同或相似的電解質(zhì)，通常是氫氧化鉀。NiMH電極非常獨特，由鎳，鈷，錳，鋁和稀土金屬組成，這些金屬也用于鋰離子中。NiMH僅提供密封版本。
氫氧化鉀是一種化學(xué)式為KOH的無機化合物，通常稱為苛性鉀。電解質(zhì)是無色的，具有許多工業(yè)應(yīng)用，例如大多數(shù)軟肥皂和液體肥皂中的成分。食入KOH是有害的。
鋰離子（Li-ion）
鋰離子電池使用液體，凝膠或干聚合物電解質(zhì)。液體形式是易燃的有機形式，而不是水性形式，是鋰鹽與類似于碳酸亞乙酯的有機溶劑形成的溶液。將溶液與各種碳酸鹽混合可提供更高的電導(dǎo)率并擴大溫度范圍?？梢蕴砑悠渌}以減少放氣并改善高溫循環(huán)。
帶有膠凝電解質(zhì)的鋰離子接受許多添加劑以增加電導(dǎo)率，鋰聚合物電池也是如此。真正的干聚合物僅在高溫下才具有導(dǎo)電性，該電池已不再用于商業(yè)用途。還添加了添加劑以達(dá)到長壽和獨特的特性。
電解質(zhì)應(yīng)該穩(wěn)定，但是鋰離子卻不是這種情況。鈍化膜在陽極上形成，稱為固體電解質(zhì)界面（SEI）。該層將陽極與陰極分隔開，但允許離子像隔板一樣穿過。本質(zhì)上，必須形成SEI層才能使電池正常工作。薄膜可穩(wěn)定系統(tǒng)并延長鋰離子電池的使用壽命，但這會導(dǎo)致容量降低。電解質(zhì)氧化也會發(fā)生在陰極上，從而永久降低容量。
為了防止膜變得過于嚴(yán)格，將添加劑與在形成SEI層期間消耗的電解質(zhì)混合。
眾所周知的添加劑是碳酸亞乙烯酯（VC）。這種化學(xué)物質(zhì)延長了鋰離子的循環(huán)壽命，尤其是在較高溫度下，并且隨著使用時間和使用年限的延長，其內(nèi)阻也保持較低。VC還可以在陽極上保持穩(wěn)定的SEI膜，而在陰極上沒有電解質(zhì)氧化的不利副作用（Aurbach等）。據(jù)說，學(xué)術(shù)界和研究界在添加劑的知識和選擇方面都落后于電池制造商，因此這是一個很大的秘密。
對于大多數(shù)商用鋰離子電池，SEI層會在75-90°C（167-194°F）的電池溫度下分解。電池的類型和充電狀態(tài)（SoC）會影響高溫下的擊穿。如果未正確冷卻，可能會發(fā)生自熱行為，從而導(dǎo)致熱失控。在18650個電池上進(jìn)行的實驗室測試表明，這種熱事件可能需要兩天的時間才能形成。
鋰離子電解質(zhì)的可燃性是進(jìn)一步關(guān)注的問題，并且已經(jīng)進(jìn)行了通過添加劑或開發(fā)非有機離子液體來生產(chǎn)不可燃或還原性可燃電解質(zhì)的實驗。還進(jìn)行了研究以在低溫下操作鋰離子電池。在撰寫本文時，這些電解質(zhì)均未廣泛用于商業(yè)用途。
干燥或緩慢地將液態(tài)電解質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)是另一個老化事件，它降低了鋰離子的性能?！爱?dāng)液體耗盡時，電池就沒電了，”鋰離子電池專家兼物理學(xué)教授JeffDahn說。電解質(zhì)的流動性是與所有電池化學(xué)性質(zhì)有關(guān)的另一種健康狀態(tài)指標(biāo)。
