生活中電池?zé)o處不在，特別是鋰電池應(yīng)用十分廣泛，正急速滲透汽車、儲(chǔ)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，而電解液可解決最為重要的安全問題。

據(jù)外媒報(bào)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，使用高度氟化的電解液可大幅提高電池儲(chǔ)電能力和耐用性，未來或可推動(dòng)電動(dòng)汽車行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。由此看來，電解液在電池研發(fā)過程中起著相當(dāng)重要的作用，那么，當(dāng)今研制電解液的挑戰(zhàn)在哪里，有何路徑，科學(xué)家近些年創(chuàng)造性獲得過哪些性能不錯(cuò)的電解液?帶著問題，科技日?qǐng)?bào)記者采訪了多年從事電化學(xué)儲(chǔ)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(zhàn)

“電解液被喻為鋰離子電池的‘血液’，擔(dān)負(fù)電池充放電過程離子輸運(yùn)任務(wù)，具有不可替代的作用。其一般由高純度有機(jī)溶劑、電解質(zhì)鋰鹽(六氟磷酸鋰等)、添加劑等原料組成。”賀艷兵告訴記者。

以鋰離子電池為例，電解液是四大關(guān)鍵材料(正極、負(fù)極、隔膜、電解液)之一，在電池中正負(fù)極之間起到傳導(dǎo)鋰離子的作用，換言之，沒有它的輸運(yùn)，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(yùn)能力越強(qiáng)，離子電導(dǎo)能力越高。鋰電池負(fù)極表面有叫固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)膜的保護(hù)薄層，其對(duì)負(fù)極循環(huán)穩(wěn)定性至關(guān)重要，也對(duì)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(duì)電池循環(huán)穩(wěn)定性和安全性有重要影響。

賀艷兵說，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(biāo)的過程中，對(duì)電池循環(huán)體系會(huì)帶來安全性隱患，這也正是研制電池電解液的挑戰(zhàn)。

這種挑戰(zhàn)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是通過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(fù)極表面SEI膜分解破壞后，裸露負(fù)極與電解液發(fā)生放熱反應(yīng)，電池溫度會(huì)進(jìn)一步升高，引起電解液與正極材料、粘結(jié)劑熱反應(yīng)，可能會(huì)引起電池爆炸。

二是電池在快速充電過程中會(huì)發(fā)熱，鋰離子從正極到負(fù)極時(shí)，負(fù)極吸收速度較慢，這樣鋰離子魚貫而入不能快速嵌入石墨負(fù)極，猶如一群人擁堵在門口，鋰析出來后便會(huì)沉積在SEI膜表面，形成鋰金屬，甚至?xí)沿?fù)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(jī)電解液的鋰離子電池，一直制約著鋰二次電池(又稱為充電電池或蓄電池)向電動(dòng)汽車和大規(guī)模儲(chǔ)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(tuán)隊(duì)與美國西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室，共同在《自然˙能源》在線發(fā)表關(guān)于非燃磷酸酯電解液在鋰離子電池應(yīng)用的研究成果。賀艷兵對(duì)此解釋說：“這項(xiàng)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。”

而美國馬里蘭大學(xué)、陸軍研究實(shí)驗(yàn)所和阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)，以化學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定的鋰金屬為負(fù)極制備一種電池，配以高氟電解液，可實(shí)現(xiàn)充放電多達(dá)千次，儲(chǔ)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，延長使用壽命。這種電池可使純電動(dòng)車安全穩(wěn)定行駛里程更長。

固態(tài)電解質(zhì)關(guān)鍵問題尚需突破

業(yè)內(nèi)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(jù)鋰電池的正負(fù)極材料種類、電池形狀、電池性能最終決定電解液的配方”。

其實(shí)對(duì)電池電解液的研究，一個(gè)重要環(huán)節(jié)是測(cè)試新型電解液在電池中的安全系數(shù)，需要做熱沖擊、針刺、短路、過充電、過放電等各種實(shí)驗(yàn);如熱沖擊測(cè)試中，將電池存儲(chǔ)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(yàn)室試驗(yàn)各種電池“爆炸”，從而檢驗(yàn)電池的安全性。

“未來研究方向是，用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)有機(jī)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題，成為電動(dòng)汽車和規(guī)模化儲(chǔ)能的理想電源，但目前在一些關(guān)鍵性問題上取得突破，尚需時(shí)日。”賀艷兵強(qiáng)調(diào)。

值得一提的是，新烯新能源股份有限公司總監(jiān)陳鵬在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)說，公司與日本京都大學(xué)日前聯(lián)合開發(fā)出的陶瓷硫化物電解質(zhì)，并制造出綜合性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)鋰電池的新型固態(tài)電池，目前即將投產(chǎn)商業(yè)化。