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如何提高电解液对极片的浸润效果1

2018-09-18 00:00:30 作者: 0人读过 | 我要赞

如何提高电解液对极片的浸润效果?

1.电解液概念

电解液是电池正负极之间起传导作用的离子导体,充放电过程中,在正负极间往返地传输锂离子。电解液对电池的充放电性能(倍率高低温)、寿命(循环储存)、温度适用范围都有着比较大的影响。

适合的溶剂需其介电常数高,粘度小,常用的有烷基碳酸盐如PC、EC等极性强,介电常数高,但粘度大,分子间作用力大,锂离子在其中移动速度慢。而线性酯,如DMC(二甲基碳酸盐)、DEC(二乙基碳酸盐)等粘度低,但介电常数也低,因此,为获得具有高离子导电性的溶液,一般都采用PC+DEC,EC+DMC等混合溶剂。

用于锂离子电池的电解质一般应该满足以下基本要求:

a.高的离子电导率,一般应达到1×~2×S/cm;

b.高的热稳定性和化学稳定性,在较宽的电压范围内不发生分离;

c.较宽的电化学窗口,在较宽的电压范围内保持电化学性能的稳定;

d.与电池其他部分例如电极材料、电极集流体和隔膜等具有良好的相容性;

e.安全、无毒、无污染性。

2.电解液浸润效果

当锂电池使用达到废弃的标准后或者突然失效时,常常对其进行拆解来分析,是什么目的导致电池的性能衰减或骤降的。在对锂电池进行拆解分析时,发现循环性能不太好的电池往往与电解液对极片的浸润效果不好有关。电解液浸润效果不好时,离子传输路径变远,阻碍了锂离子在正负极之间的穿梭,未接触电解液的极片无法参与电池电化学反应,同时电池界面电阻增大,影响锂电池的倍率性能、放电容量和使用寿命。

那么,为了避免出现种种弊端,我们需要想办法使电解液尽可能的浸润极片。当然了考虑到成本问题,我们需要使用尽可能适量的电解液。

3.如何提高电解液的浸润性

电解液对极片的浸润,涉及到固、液、气三相接触的内容。当把电解液注入电池壳内时,首先电解液要排出壳内的空气,之后电解液会附着在正负极活物质的表面,有的电解液会通过卷芯的隔膜进入正极-隔膜-负极之间。随着时间的延续,会出现电解液浸润极片、隔膜内电解液反向浸润极片的现象,当静置时间长到一定程度时,在表面张力的作用下,对极片的浸润就达到一个平衡的状态。

在这个过程中,会涉及到物理化学中的一个概念“接触角”(润湿角)。如下图所示,图中蓝色区域代表液体,灰色区域代表固体界面。那么蓝色与灰色接触的区域则是固液相接触界面,液体的切线与固体界面交叉的位置形成了一个角度θ,其中接触角θ越小说明电解液对极片或隔膜的浸润性越好。

但是,在实际的操作过程中,往往无法把握电解液对极片的浸润效果,根据上面提到的电解液浸润的原理,我们可以从以下几点来想办法提高电解液对极片的浸润效果:

(1)改善注液工艺

改善注液工艺是最常规的一种办法

如何提高电解液对极片的浸润效果1

,从注液效率、注液条件、静置时间、注液方式等方面可以有效改善电解液的浸润效果。

在真空条件下注液,不仅有利于电芯内气体的排出,还能够减少气体对电解液注入的阻力,有助于电解液对极片的浸润。其原理是抽真空注液可以减少固-气-液三相界面的存在气相阻力,让电解液与极片直接接触,减少了浸润时间。

通过延长真空下静置的时间,可以保证电解液充分浸润极片。注液之后,随着静置时间延长,电极液与极片的润湿角逐渐减小,润湿半径逐渐增大,最终达到良好的浸润效果。

为了避免电解液对隔膜、极片浸润不充分的现象,可以分批次注入电解液,便于电解液对极片充分浸润,此种操作方式从原理来讲就是提高固液接触几率,扩大接触面积,在电解液量不变的情况下,可以缩短浸润时间。

(2)改善卷芯工艺

电解液浸润效果与电极材料颗粒性质、极片压实密度、卷芯松紧度等不无关系。不同形貌、粒径的正负极活物质、导电剂,电解液对极片的浸润效果明显不同,原材料的粒径越大,越接近于球形,其电解液渗透速率越大,浸润时间越短。当极片的压实密度过大时,极片内孔隙率降低,不利于电解液对极片的浸润,需要调节适当的压实密度,在保证电池低阻抗的条件下,满足电解液的浸润程度。同样,电芯堆叠或者卷绕的松紧度也会影响电解液的浸润。

卷绕较松时,正极-隔膜-负极之间的孔隙较大,积存的电解液量就较多,造成了部分地方富集和某些地方的缺乏,这样无疑对电池的性能影响很大。当卷绕较紧时,又会影响电解液的浸润速度和效率,也是不足取的。

(3)添加电解液浸润剂

通常采用的电解液为有机溶剂,极片为无机材料,吸收电解液的能力较弱。在电解液中加入外加剂也能够改善电解液的浸润。刘方方等采用了一种氟醚材料作为电解液的添加剂,试验结果表明电解液中加入少量的浸润剂可以有效缩短电池注液时间,并明显提高电池的循环性能,但是需要注意的是当浸润剂添加量达到1%时,则会对循环性能有负面影响。

浸润剂的实质是表面活性剂,此类浸润剂具有高表面活性、高耐热稳定性、低可燃性和高化学稳定性等优点,在电解液中添加浸润剂后能够降低液体的表面张力,提高电解液对极片的润湿能力和渗透能力,从而提高电池的电化学性能。

通过以上的几种办法,可以有效改善电解液对极片的浸润效果。缩短浸润时间,可以节约生产成本,提高浸润效果,可以降低电池界面阻抗,提高活物质的利用效率,进而提升电池容量、改善放电倍率特性。

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