2015年11月11日至13日,参加了在深圳举行的第二届新型电池电解质与隔膜国际论坛。参会期间以及参会之后,获得一些启发和感受,现叙述下来并与各位同事分享、交流。
1.会议总结报告
1.1 高安全性电池的发展方向:全固态电解质
全固态电解质可分为无机非金属固态电解质和聚合物凝胶电解质。
目前,无机非金属固态电解质研究的方向主要是过渡金属氧化物与金属锂氧化物的混合物,如Li7-xLa3Zr2-xO12(LLZO)、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP)等,它们的电导率偏低(10-7-10-3 S/cm)且对金属锂不稳定。另外,还有一些金属硫化物的混合物,如Li2S-SiS2-Li3PO4、Li10GeP2S12,它们的电导率有所提高(10-3-10-2 S/cm),但是在空气中不稳定。
聚合物凝胶电解质主要是聚合物加锂盐,如PEO和LiFSI(或LiClO4等)、SPE和LiFSI等。其目前的高温下的电导率问题得到解决,在10-4-10-2 S/cm之间。但是存在的主要问题还是正负极材料和电解质之间的界面问题。聚合物凝胶电解质在锂离子电池中的应用或者说是报道,大多仅限于磷酸铁锂半电池。其应用有待于进一步开发。
1.2 提升隔膜的防热扩散性能也是解决电池安全性的一种途径
隔膜也是液态电解质电池中的一个重要组成部分,提高其防热扩散性能,能进一步降低由于短路引起的热失控速率,从而让使用者或者操作者有足够的反应时间,避免更大的安全事故的发生。
目前,大部分工艺都是在现有的隔膜(PP、PE)上涂上一层或者双层陶瓷材料,选用的陶瓷材料大多都是氧化铝。这样做的优点是:既能防止热失控,又能增强隔膜的浸润性和保液量。但是,涂层的厚度得控制,太薄或者太厚都不好,目前的优化工艺认为是在3-4微米。
1.3 阻燃剂和对正负极SEI成膜有帮助的添加剂的使用也能提高电池安全性能
目前,对于使用非水性液态电解质的锂离子电池而言,添加一些阻燃剂和对正负极SEI成膜有帮助的添加剂同样能提高电池的安全性能。
现在使用的阻燃剂多为磷酸酯,但从添加效果来看并不令人满意。另外,有报道称使用氟代碳酸酯和氟代醚类,能有效提高电解液的阻燃性能,甚至是不燃。单是全面使用氟代溶剂,电池的成本必然提高,并且电解液的电导率会降低。所以,使用部分氟代溶剂替代碳酸酯是主流方向。
现在所使用的高压电解液主要是商业电解液添加二腈类化合物,其作用机理已明确:腈基吸附在电极材料表面,并通过电化学作用在其表面形成SEI膜。目前使用最多的是丁二腈,但是也有人在研究分子链更长的二腈类化合物在电解液中的应用,以期待找到更适合的二腈类化合物。
2. 启发(Idea)
参加完会议后,结合目我们部门研究的方向,我们部门可以在以下几个方面开展一些工作:(1)无机非金属固态电解质;(2) 聚合物凝胶电解质;(3)高安全性高压性能添加剂 。
目前,我正在开展的工作主要集中在第(3)方面中,这次出去开会也对一些添加剂的工作机理有了进一步的理解,有助于今后工作的展开。另外,我对第(2)方面也有一些不成熟的启发,需要进一步设计实验并验证。
3. 感受
锂离子电池是一个由多学科交叉衍生的一门新学科。需要各材料行业携手共进。比如我现在研究的方向是非水系的液态电解质,但在实际的工作中,不能局限于眼前的研究方向,也得了解固态电解质和隔膜的发展动态。这一认识的优点在于:(1)站在最高的点对锂离子电池的发展方向上有一个清晰的认识,方便自己对锂离子电池材料的革新有一个及时的把握;(2)能更好的开拓视野,结合自己的研究方向,才有可能对现有的技术进行创新。