电解液添加量是个难题,终于有人讲明白了

日期: 2025-10-15 20:04:35|浏览: 4|编号: 155148

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介绍:锂离子电池由正极材料、负极材料和电解质组成,其中电解质虽然不直接决定电池的容量,但电解质的含量却对电池性能有显著作用。电解液注入量偏少,会降低正负极活性材料与隔膜的润湿度,离子移动通道变长,锂离子在正负极间迁移受阻,未沾染电解液的电极无法参与电池电化过程,同时电池界面阻抗升高,会削弱锂电池的快速充放电能力、放电量以及使用寿命;相反,电解液注入量过多,会加重电池负担,造成能量比下降,并额外推高电池造价。因此怎样选择恰当的注液体积,对于锂离子电池在效能和费用之间的权衡来说,显得十分关键。

J. Günter及慕尼黑工业大学团队通过分析电化学阻抗谱结果,结合注液实验、老化测试和寿命评估数据,明确了软包电池中电解液用量与润湿速度的关联性,同时揭示了容量、能量密度和循环寿命的相互影响,最终确定了锂离子电池最适宜的电解液添加量。研究选取软包电池作为分析对象,该电池由13组石墨负极片和12组材料正极片构成,电解质选用1摩尔浓度的LiPF6溶液,其中EC与EMC的体积比为3比7,并额外掺入2%的VC,正负极的基础数据详见下表

电解液的注入环节是在极高真空状态下进行的,目的是确保电解液可以全面渗透电极材料。电解液的具体用量,则依据以下公式进行推算:

vf代表体积比例参数,本次研究选取的数值区间在0.6到1.8之间,微孔的容积大约是8.85毫升,接下来表格展示了使用不同体积比例参数时,注液量以及电池容量等关键数据。

通过表格可以了解到,在浸润阶段,软包电池内部能够发生反应的两相界面数目持续增长,实验采用恒电位仪开展电化学测试,具体流程为:先以0.5秒的间隔采集OCV数据持续15秒,然后恒电位仪以设定的初始速率发出交流激励信号,检测到电池的高频阻抗不断减小,这一成果为实时追踪电池浸润状况开辟了新途径。当电解液与微孔体积比系数超过1时,增加电解液量对减小高频阻抗作用不大。另外,作者发现电解液量偏少的电池在浸润时阻抗还会上升,这主要是因为电解液不够充足引起的。

理想状态下,电解质液体只需渗透到电极和隔膜的空隙里即可,然而在真正注入时,正负电极与隔膜之间总会留有缝隙,因此,锂电池电解液实际需要添加的量,会比理论计算值要多一些。这张图展示了电解液体积比例系数如何影响锂电池在不同充放电速率下的容量和能量表现,0.1倍率条件下,电解液体积比例系数从0.6提升至1.2期间,电池的可逆容量持续增长,但若继续增加注液比例,电池容量则趋于稳定,同时电解液用量的增大会导致电池能量密度逐步下降。当电解液体积比系数持续增大至Vf1.4,电池工作表现会变得更好,因此有助于降低使用过程中的容量衰减,不过,倘若继续加大电解液比例(Vf1.6-1.8),在1C倍率下前两百次充放电循环里,容量减少的幅度会更为显著。颇为奇特的是,锂离子电池能够部分弥补这种损耗:即便在650次充放电后,0.5C倍率下的容量重新超过Vf1.2,其性能仍不及Vf1.4水平。首次循环中容量衰减的负面效应源于VC过量,循环期间未反应的助剂会形成SEI膜,直至完全反应完毕。

电池的可逆容量和能量强度,要看它在使用前的前三次循环表现,那三次分别是0.1C倍率、0.5C倍率和1C倍率,具体要看这期间电解液的状态如何。

这张图展示了不同电解液体积配比系数下锂离子电池恒压充电容量在其总容量中的比重,这个比重主要反映了电池充电时的极化程度,电池极化越强,就会更早地进入恒压充电阶段,所以恒压充电容量占比也就越高,因此从图中可以看出,所有锂离子电池在充电倍率增加时,其极化现象会加剧,恒压充电容量占比也随之上升。图中显示,锂离子电池的注液量越大,其恒压充电容量所占比重就越小,电池极化程度也越低。

这张图展示了不同注液量的锂离子电池在浸润阶段、化成阶段、排气阶段以及循环阶段后的高频阻抗情况,从图中可以观察到,总体上锂离子电池的高频阻抗会随着注液量的增加而持续减小,为了确保锂离子电池的工作表现和循环使用期限,其注液量最好控制在1.4这个数值附近。

文章表明锂离子电池并非电解液越多越好,过量电解液中的成膜助剂会持续损耗电池内的活性锂,进而加速容量衰减,而电解液不足则会造成活性物质浸润不均,部分材料无法发挥作用,严重影响使用周期,因此找到电解质与电池组分最适宜的浸润比例,确定与孔隙容积相匹配的电解液最少用量,不仅有助于提高能量储存能力并控制开销,对于延长锂离子电池的循环使用年限同样至关重要。

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