鉅大LARGE | 點擊量:1473次 | 2019年01月10日
鋰電池電解液中的雜質(zhì)及其純化方法介紹
未經(jīng)純化的有機電解液中通常含有活潑氫的水、有機物以及少量鐵、鈉、鋁和鎳等金屬離子。雜質(zhì)的含量對鋰離子電池性能將產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,高純度鋰鹽、碳酸酯是鋰離子電池正常工作的保證。
有機電解液中雜質(zhì)的來源主要有三個方面:a.電解質(zhì)鋰鹽(如六氟磷酸鋰)的制備中不可避免地會有一定量的HF、H2O和其它金屬雜質(zhì)離子。這些物質(zhì)可能形成較強的化學(xué)吸附,脫除困難,難以制備出完全純凈的鋰鹽。b.常用的碳酸酯溶劑在制備過程中不可避免含有水、有機酸、醇、醛、酮、胺和酰胺等副產(chǎn)物、金屬離子雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)相類似的酯類物質(zhì)。c.鋰鹽和溶劑多具有親濕性,操作環(huán)境中的少量水分和灰塵等也可能對電解液產(chǎn)生污染。部分鋰熱穩(wěn)定性差,容易發(fā)生分解而降低純度。
一般情況下,有機電解液中的雜質(zhì)主要為痕量的水和HF等含有活潑性氫的分子和金屬離子雜質(zhì)。痕量的水分能使鋰鹽(如六氟磷酸鋰)發(fā)生分解,還可能與有機溶劑反應(yīng)生成相應(yīng)的醇。水分的存在會在電池工作時消耗有限的鋰離子,生成對電極電化學(xué)性能的改善不利的LiOH、Li2O、HF等物質(zhì)。同時反應(yīng)產(chǎn)生的大量氣體也會增大電池內(nèi)壓,帶來不安全因素。隨著有機電解液中水含量的增高,鋰離子電池的充放電、循環(huán)效率等性能將明顯下降。當(dāng)水分含量超過0.1%時,鋰離子電池已基本無法使用。有機電解液中HF的含量對鋰離子電池性能同樣有著重要的影響,而HF在六氟磷酸鋰生產(chǎn)過程中又很難脫除干凈。HF的存在除能加速六氟磷酸鋰的分解和有機溶劑的聚合外,首次充放電過程中還會在炭負(fù)極上發(fā)生還原反應(yīng)生成LiF,增大電極界面電阻,降低鈍化膜的可逆性、電池的比容量和循環(huán)效率等。而其它含活潑性氫的醇、胺等有機分子,同樣會消耗電解液,影響電池的性能。例如,莊全超等研究有機電解液中甲醇雜質(zhì)對石墨電極性能的影響發(fā)現(xiàn),當(dāng)有機電解液中的甲醇含量超過0.5%時,石墨電極的充放電循環(huán)可逆性將遭到完全破壞;金屬雜質(zhì)離子在充電過程中,將首先沉積在炭負(fù)極表面,影響電解的導(dǎo)鋰性能。
顯然,有機電解液在配置過程中必須選擇潔凈、干燥(水分小于10×10負(fù)6)的環(huán)境(如實驗室常用的手套箱)中進(jìn)行。同時,應(yīng)盡可能采取切實可行的方法消除鋰鹽、有機試劑中的雜質(zhì),緩慢配置電解液,避免鋰鹽溶解過程中放熱而導(dǎo)致熱分解反應(yīng)。電解液在使用之前,應(yīng)該采取科學(xué)的方法進(jìn)行檢測,以確保電解液滿足鋰離子電池工作的需要。
有機電解液中最常見的雜質(zhì)是水分,實驗室中水分含量的降低可以先通過蒸餾的方法除去大部分水分,然后再加入活化好的0.4nm或0.5nm分子篩密閉保存。這種方法除能降低水分之外,還能吸收部分小分子溶劑,有利于電解液純度的提高。但需要注意的是,由于分子篩具有離子交換功能,如果將普通的鈉型分子篩長期置于電解液中,可能會在有機電解液中引入鈉離子,影響電池性能。因此,在使用分子篩脫除雜質(zhì)這一過程中,最好選用鋰化分子篩。鋰化分子篩可通過1mol/LLiC1O4/乙醇或1mol/LLiF/乙醇溶液與普通0.4nm或0.5nm分子篩離子交換而成。
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