電解液：為電池安全“保駕護航”

　　生活中電池無(wú)處不在，特別是鋰電池應用十分廣泛，正急速滲透汽車(chē)、儲能、航空航天及軍工等領(lǐng)域。因此，各國將提升動(dòng)力電池的性能列為研究熱點(diǎn)之一。

　　據外媒報道，美國研究人員在最新一期英國《自然·納米技術(shù)》上發(fā)表論文稱(chēng)，使用高度氟化的電解液可大幅提高電池儲電能力和耐用性，未來(lái)或可推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。由此看來(lái)，電解液在電池研發(fā)過(guò)程中起著(zhù)相當重要的作用，那么，當今研制電解液的挑戰在哪里，有何路徑，科學(xué)家近些年創(chuàng )造性獲得過(guò)哪些性能不錯的電解液?帶著(zhù)問(wèn)題，科技日報記者采訪(fǎng)了多年從事電化學(xué)儲能材料和器件研究的清華大學(xué)深圳研究生院能源環(huán)境學(xué)部副研究員賀艷兵博士。

　　安全隱患成研制中主要挑戰

　　“電解液被喻為鋰離子電池的‘血液’，擔負電池充放電過(guò)程離子輸運任務(wù)，具有不可替代的作用。其一般由高純度有機溶劑、電解質(zhì)鋰鹽(六氟磷酸鋰等)、添加劑等原料組成?！辟R艷兵告訴記者。

　　以鋰離子電池為例，電解液是四大關(guān)鍵材料(正極、負極、隔膜、電解液)之一，在電池中正負極之間起到傳導鋰離子的作用，換言之，沒(méi)有它的輸運，電池就不能進(jìn)行充放電。賀艷兵指出，目前使用的電解液是可燃性體系，粘度越小、離子輸運能力越強，離子電導能力越高。鋰電池負極表面有叫固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)膜的保護薄層，其對負極循環(huán)穩定性至關(guān)重要，也對電池安全性有很大影響;而電解質(zhì)的組分決定SEI膜的性質(zhì)，對電池循環(huán)穩定性和安全性有重要影響。

　　賀艷兵說(shuō)，科研人員在努力提升動(dòng)力電池的高能量密度和快充速度，但是在追求這兩個(gè)指標的過(guò)程中，對電池循環(huán)體系會(huì )帶來(lái)安全性隱患，這也正是研制電池電解液的挑戰。

　　這種挑戰主要表現在兩個(gè)方面，一是通過(guò)電池電壓升高增加電池能量密度，如果讓電池充電從4.2伏提高到4.5伏甚至更高，電解液耐高壓能力不適配，就會(huì )被氧化分解，放出的熱量使電池溫度升高，并產(chǎn)生大量氣體;而在高溫下，一旦負極表面SEI膜分解破壞后，裸露負極與電解液發(fā)生放熱反應，電池溫度會(huì )進(jìn)一步升高，引起電解液與正極材料、粘結劑熱反應，可能會(huì )引起電池爆炸。

　　二是電池在快速充電過(guò)程中會(huì )發(fā)熱，鋰離子從正極到負極時(shí)，負極吸收速度較慢，這樣鋰離子魚(yú)貫而入不能快速嵌入石墨負極，猶如一群人擁堵在門(mén)口，鋰析出來(lái)后便會(huì )沉積在SEI膜表面，形成鋰金屬，甚至會(huì )把負極外表面SEI膜破壞。

　　高度氟化只為增加阻燃性

　　賀艷兵指出，開(kāi)發(fā)耐高壓電解液、阻燃電解液、低溫電解液，以及優(yōu)化SEI膜等，是目前電池電解液的重要研究方向。

　　采用易燃有機電解液的鋰離子電池，一直制約著(zhù)鋰二次電池(又稱(chēng)為充電電池或蓄電池)向電動(dòng)汽車(chē)和大規模儲能領(lǐng)域發(fā)展。近日，武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院曹余良教授團隊與美國西北太平洋國家實(shí)驗室，共同在《自然·能源》在線(xiàn)發(fā)表關(guān)于非燃磷酸酯電解液在鋰離子電池應用的研究成果。賀艷兵對此解釋說(shuō)：“這項研究一改在電解液中添加阻燃劑，提出直接用非可燃溶劑磷酸三乙酯，能夠同時(shí)保證電池的優(yōu)異電化學(xué)和安全性能?！?/p>

　　而美國馬里蘭大學(xué)、陸軍研究實(shí)驗所和阿爾貢國家實(shí)驗室等機構，以化學(xué)性質(zhì)極不穩定的鋰金屬為負極制備一種電池，配以高氟電解液，可實(shí)現充放電多達千次，儲電能力僅下降到最初的93%。

　　賀艷兵告訴記者，高氟電解液除了增加阻燃性之外，還優(yōu)化了SEI膜，免除電解液的腐蝕作用，提高電池的安全性，延長(cháng)使用壽命。這種電池可使純電動(dòng)車(chē)安全穩定行駛里程更長(cháng)。

　　固態(tài)電解質(zhì)關(guān)鍵問(wèn)題尚需突破

　　業(yè)內人士比喻，“找到配比合適的電解液有點(diǎn)像抓中藥，猶如不同體質(zhì)、病癥服用不同藥方，需要根據鋰電池的正負極材料種類(lèi)、電池形狀、電池性能最終決定電解液的配方”。

　　其實(shí)對電池電解液的研究，一個(gè)重要環(huán)節是測試新型電解液在電池中的安全系數，需要做熱沖擊、針刺、短路、過(guò)充電、過(guò)放電等各種實(shí)驗;如熱沖擊測試中，將電池存儲在120℃—150℃的熱沖擊箱里，看電池的溫度變化和電池失控行為，電池是否易燃或者易爆，有些研究要在實(shí)驗室試驗各種電池“爆炸”，從而檢驗電池的安全性。

　　“未來(lái)研究方向是，用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統有機液態(tài)電解液，全固態(tài)鋰離子電池將有望從根本上解決電池安全性問(wèn)題，成為電動(dòng)汽車(chē)和規?；瘍δ艿睦硐腚娫?，但目前在一些關(guān)鍵性問(wèn)題上取得突破，尚需時(shí)日?！辟R艷兵強調。 值得一提的是，新烯新能源股份有限公司總監陳鵬在接受科技日報記者采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)，公司與日本京都大學(xué)日前聯(lián)合開(kāi)發(fā)出的陶瓷硫化物電解質(zhì)，并制造出綜合性能遠超傳統鋰電池的新型固態(tài)電池，目前即將投產(chǎn)商業(yè)化。