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锂电池电解液中的杂质及其纯化

发布时间:2020-03-19 10:06:00  来源:锂电池厂家




 

未经纯化的有机电解液中通常含有活泼氢的水、有机物以及少量铁、钠、铝和镍等金属离子。杂质的含量对锂离子电池性能将产生严重的影响,高纯度锂盐、碳酸酯是锂离子电池正常工作的保证。
有机电解液中杂质的来源主要有三个方面:a.电解质锂盐 (如六氟磷酸锂)的制备中不可避免地会有一定量的HF、H2O和其它金属杂质离子。这些物质可能形成较强的化学吸附,脱除困难,难以制备出完全纯净的锂盐。b.常用的碳酸酯 溶剂在制备过程中不可避免含有水、有机酸、醇、醛、酮、胺和酰胺等副产物、金属离子杂质和结构相类似的酯类物质。c.锂盐和溶剂多具有亲湿性,操作环境中的少量水分和灰尘等也可能对电解液产生污染。部分锂热稳定性差,容易发生分解而降低纯度。
一般情况下,有机电解液中的杂质主要为痕量的水和HF等含有活泼性氢的分子和金属离子杂质。痕量的水分能使锂盐 (如六氟磷酸锂)发生分解,还可能与有机溶剂反应生成相应的醇。水分的存在会在电池工作时消耗有限的锂离子,生成对电极电化学性能的改善不利的LiOH、Li2O、HF等物质。同时反应产生的大量气体也会增大电池内压,带来不安全因素。随着有机电解液中水含量的增高,锂离子电池的充放电、循环效率等性能将明显下降。当水分含量超过0.1%时,锂离子电池已基本无法使用。有机电解液中HF的含量对锂离子电池性能同样有着重要的影响,而HF在六氟磷酸锂生产过程中又很难脱除干净。HF的存在除能加速六氟磷酸锂的分解和有机溶剂的聚合外,首次充放电过程中还会在炭负极上发生还原反应生成LiF,增大电极界面电阻,降低钝化膜的可逆性、电池的比容量和循环效率等。而其它含活泼性氢的醇、胺等有机分子,同样会消耗电解液,影响电池的性能。例如,庄全超等研究有机电解液中甲醇杂质对石墨电极性能的影响发现,当有机电解液中的甲醇含量超过0.5%时,石墨电极的充放电循环可逆性将遭到完全破坏;金属杂质离子在充电过程中,将首先沉积在炭负极表面,影响电解的导锂性能。
显然,有机电解液在配置过程中必须选择洁净、干燥 (水分小于10×10负6)的环境 (如实验室常用的手套箱)中进行。同时,应尽可能采取切实可行的方法消除锂盐、有机试剂中的杂质,缓慢配置电解液,避免锂盐溶解过程中放热而导致热分解反应。电解液在使用之前,应该采取科学的方法进行检测,以确保电解液满足锂离子电池工作的需要。
有机电解液中最常见的杂质是水分,实验室中水分含量的降低可以先通过蒸馏的方法除去大部分水分,然后再加入活化好的0.4nm或0.5nm分子筛密闭保存。这种方法除能降低水分之外,还能吸收部分小分子溶剂,有利于电解液纯度的提高。但需要注意的是,由于分子筛具有离子交换功能,如果将普通的钠型分子筛长期置于电解液中,可能会在有机电解液中引入钠离子,影响电池性能。因此,在使用分子筛脱除杂质这一过程中,最好选用锂化分子筛。锂化分子筛可通过1mol/L LiC1O4/乙醇或1mol/L LiF/乙醇溶液与普通0.4nm或0.5nm分子筛离子交换而成。

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