锂离子电池电解质概述及电解质的基本要求

化学电源已成为人们不可或缺的一种储能方式,它的电解质包括水溶液电解质和非水电解质。在当下的化学电池体系中,锂电池由于其高的能量密度、长的循环寿命、无记忆效应等特点被认为是最具前景的一种储能器件。锂离子电池的优势与不足均与电解质的性质密切相关,由于电解质的稳定性好,电化学窗口宽,才使得锂离子电池的工作电压(通常在4V左右)比使用水溶液电解质的电池(一般不大于2V)高出1倍以上,锂离子电池因此具备了高电压和高比能量的性质,与此同时,锂离子电池也具备了源干非水电解质的重要不足。
 
非水电解质的导电性不足水溶液电解质的十分之一,使得锂离子电池的高倍率充放电性能受到限制;电解质本身的技术含量和价格高,造成锂离子电池的造价居高不下;有机液体电解质高度的可嫩性成为液态锂离子电池难以克服的安全隐患等。因此,要在保证锂离子电池优势的基础上克服其不足,就要求锂离子电池的电解质体系必须具有一些特殊的性质。
 
用于锂离子电池的电解质应当满足以下基本要求:
 
1.高离子电导率。作为电解质,必须具有优异的离子导电性和电子绝缘性,使其发挥离子传输介质的功能,同时减少本身的自放电。全固态聚合物电解质的室温离子电导率一般要达到10-4S/cm才能满足商业的要求,实现电池的正常充放电。
 
2.高锂离子迁移数。低的锂离子迁移数会使有效离子电导率降低,同时会造成电解质在充放电过程中产生严重的浓差极化,使锂离子沉积不均匀,影响电池的循环倍率性能。因此,应尽可能提高聚合物电解质的锂离子迁移数,当锂离子迁移数达到1时是最为理想的。
 
3.优异的力学性能。由于与正负极直接接触,聚合物电解质应该具有较强的韧性,在电池组装、储存以及使用过程中能够去承受应力的变化,不能发生脆裂。同时作为隔膜使用,也要具有相当的机械强度去抑制锂枝晶的产生与刺穿,防止正负极的短路。
 
4.宽的电化学稳定窗口。电化学窗口指的是在正极发生氧化反应与在负极发生还原反应的电势差。当下为了发展高能量密度的电池,高电压体系也不断被开发,因此开发匹配高电压正极的电解质材料至关重要。一般说来,聚合物电解质的电化学窗口应该达到4V-5V,才能与电极材料匹配。
 
5.良好的化学和热稳定性。聚合物电解质应该与电池中的各个组成成分化学兼容,不能与正极、负极、集流体发生强烈的化学反应。同时要具有优异的热稳定性,确保电池在工作温度升高时能够正常地安全使用。
 
6.优化的制备过程。这是一个较被当下研究人员忽视的一点,现在传统的制备方法是采用有机溶剂溶解的溶液浇铸法浇膜获得。但寻找一个更为简便、更为环保的制备方法也是实现全固态聚合物电解质更好发展的关键。
 
以上这些是衡量电解质性能必须考虑的因素,也是实现锂离子电池高性能、低内阻、低价位、长寿命和安全性的重要前提。目前,人们对于锂离子电池在安全性、能量密度等方面的要求越来越高,而与传统液态有机体系的锂离子电池相比,全固态锂电池在这方面具有巨大的优势。