電解液概念和浸潤效果以及提高浸潤效果的方法解析

編者按

電解液是電池正負極之間起傳導(dǎo)作用的離子導(dǎo)體，充放電過程中，在正負極間往返地傳輸鋰離子。電解液對電池的充放電性能(倍率高低溫)、壽命(循環(huán)儲存)、溫度適用范圍都有著比較大的影響。

1.電解液概念

電解液是電池正負極之間起傳導(dǎo)作用的離子導(dǎo)體，充放電過程中，在正負極間往返地傳輸鋰離子。電解液對電池的充放電性能(倍率高低溫)、壽命(循環(huán)儲存)、溫度適用范圍都有著比較大的影響。

適合的溶劑需其介電常數(shù)高，粘度小，常用的有烷基碳酸鹽如PC、EC等極性強，介電常數(shù)高，但粘度大，分子間作用力大，鋰離子在其中移動速度慢。而線性酯，如DMC（二甲基碳酸鹽）、DEC（二乙基碳酸鹽）等粘度低，但介電常數(shù)也低，因此，為獲得具有高離子導(dǎo)電性的溶液，一般都采用PC+DEC，EC+DMC等混合溶劑。

用于鋰離子電池的電解質(zhì)一般應(yīng)該滿足以下基本要求：

a.高的離子電導(dǎo)率，一般應(yīng)達到1×10-3~2×10-2 S/cm；

b.高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，在較寬的電壓范圍內(nèi)不發(fā)生分離；

c.較寬的電化學(xué)窗口，在較寬的電壓范圍內(nèi)保持電化學(xué)性能的穩(wěn)定；

d.與電池其他部分例如電極材料、電極集流體和隔膜等具有良好的相容性；

e.安全、無毒、無污染性。

2.電解液浸潤效果

當鋰電池使用達到廢棄的標準后或者突然失效時，常常對其進行拆解來分析，是什么目的導(dǎo)致電池的性能衰減或驟降的。小編在對鋰電池進行拆解分析時，發(fā)現(xiàn)循環(huán)性能不太好的電池往往與電解液對極片的浸潤效果不好有關(guān)。電解液浸潤效果不好時，離子傳輸路徑變遠，阻礙了鋰離子在正負極之間的穿梭，未接觸電解液的極片無法參與電池電化學(xué)反應(yīng)，同時電池界面電阻增大，影響鋰電池的倍率性能、放電容量和使用壽命。

那么，為了避免出現(xiàn)種種弊端，我們需要想辦法使電解液盡可能的浸潤極片。當然了考慮到成本問題，我們需要使用盡可能適量的電解液，電解液量多少對電池的性能影響參考下文：【技術(shù)π】電解液量對電池性能有什么影響？

3.如何提高電解液的浸潤性

電解液對極片的浸潤，涉及到固、液、氣三相接觸的內(nèi)容。當把電解液注入電池殼內(nèi)時，首先電解液要排出殼內(nèi)的空氣，之后電解液會附著在正負極活物質(zhì)的表面，有的電解液會通過卷芯的隔膜進入正極-隔膜-負極之間。隨著時間的延續(xù)，會出現(xiàn)電解液浸潤極片、隔膜內(nèi)電解液反向浸潤極片的現(xiàn)象，當靜置時間長到一定程度時，在表面張力的作用下，對極片的浸潤就達到一個平衡的狀態(tài)。

在這個過程中，會涉及到物理化學(xué)中的一個概念“接觸角”（潤濕角）。如下圖所示，圖中藍色區(qū)域代表液體，灰色區(qū)域代表固體界面。那么藍色與灰色接觸的區(qū)域則是固液相接觸界面，液體的切線與固體界面交叉的位置形成了一個角度θ，其中接觸角θ越小說明電解液對極片或隔膜的浸潤性越好。

但是，在實際的操作過程中，往往無法把握電解液對極片的浸潤效果，根據(jù)上面提到的電解液浸潤的原理，我們可以從以下幾點來想辦法提高電解液對極片的浸潤效果：

（1）改善注液工藝

改善注液工藝是最常規(guī)的一種辦法，從注液效率、注液條件、靜置時間、注液方式等方面可以有效改善電解液的浸潤效果。

在真空條件下注液，不僅有利于電芯內(nèi)氣體的排出，還能夠減少氣體對電解液注入的阻力，有助于電解液對極片的浸潤。其原理是抽真空注液可以減少固-氣-液三相界面的存在氣相阻力，讓電解液與極片直接接觸，減少了浸潤時間。

通過延長真空下靜置的時間，可以保證電解液充分浸潤極片。注液之后，隨著靜置時間延長，電極液與極片的潤濕角逐漸減小，潤濕半徑逐漸增大，最終達到良好的浸潤效果。

為了避免電解液對隔膜、極片浸潤不充分的現(xiàn)象，可以分批次注入電解液，便于電解液對極片充分浸潤，此種操作方式從原理來講就是提高固液接觸幾率，擴大接觸面積，在電解液量不變的情況下，可以縮短浸潤時間。

（2）改善卷芯工藝

電解液浸潤效果與電極材料顆粒性質(zhì)、極片壓實密度、卷芯松緊度等不無關(guān)系。不同形貌、粒徑的正負極活物質(zhì)、導(dǎo)電劑，電解液對極片的浸潤效果明顯不同，原材料的粒徑越大，越接近于球形，其電解液滲透速率越大，浸潤時間越短。當極片的壓實密度過大時，極片內(nèi)孔隙率降低，不利于電解液對極片的浸潤，需要調(diào)節(jié)適當?shù)膲簩嵜芏?，在保證電池低阻抗的條件下，滿足電解液的浸潤程度。同樣，電芯堆疊或者卷繞的松緊度也會影響電解液的浸潤。

卷繞較松時，正極-隔膜-負極之間的孔隙較大，積存的電解液量就較多，造成了部分地方富集和某些地方的缺乏，這樣無疑對電池的性能影響很大。當卷繞較緊時，又會影響電解液的浸潤速度和效率，也是不足取的。

（3）添加電解液浸潤劑

通常采用的電解液為有機溶劑，極片為無機材料，吸收電解液的能力較弱。在電解液中加入外加劑也能夠改善電解液的浸潤。劉方方等采用了一種氟醚材料作為電解液的添加劑，試驗結(jié)果表明電解液中加入少量的浸潤劑可以有效縮短電池注液時間，并明顯提高電池的循環(huán)性能，但是需要注意的是當浸潤劑添加量達到1%時，則會對循環(huán)性能有負面影響。

浸潤劑的實質(zhì)是表面活性劑，此類浸潤劑具有高表面活性、高耐熱穩(wěn)定性、低可燃性和高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點，在電解液中添加浸潤劑后能夠降低液體的表面張力，提高電解液對極片的潤濕能力和滲透能力，從而提高電池的電化學(xué)性能。

通過以上的幾種辦法，可以有效改善電解液對極片的浸潤效果?？s短浸潤時間，可以節(jié)約生產(chǎn)成本，提高浸潤效果，可以降低電池界面阻抗，提高活物質(zhì)的利用效率，進而提升電池容量、改善放電倍率特性。