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新型高浓度高安全性锂离子电池的电解液

来源:宝鄂实业    2019-03-13 13:25    点击量:
非水电解质由于具有宽的电化学窗口和优异的电化学性能,在锂离子电池中得到了广泛应用。然而非水电解质具有高的可燃性和挥发性,可能引起锂离子电池出现起火、爆炸等安全问题。为了克服电解质易燃问题,传统的做法是在非水电解质中添加阻燃剂,但是这些阻燃剂会在负极表面发生强烈的氧化还原反应,严重恶化电池性能。近日,合肥工业大学项宏发教授团队研发出的新型高浓度不燃电解液,弥补了上述缺陷。
 
这种新型的电解液采用磷酸三甲酯(TMP)为溶剂,双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)为溶质,能够完全不燃(图1),因此大大提高了电池的安全性。同时在高浓度下(5 mol/L),电解液中大部分TMP溶剂分子和Li+配位,形成特殊的溶剂化结构,这使得溶剂分子与负极之间的副反应减少了。当这种电解液应用于三元-石墨锂离子电池时,抑制了因TMP共嵌入引起的石墨剥离。同时与传统的碳酸酯电解液相比,具有更好的循环性能(图2)。此外,这种高浓度电解液的特殊溶剂化结构还能够有效抑制锂枝晶(图3),应用于三元锂金属电池时,也具有很好的循环性能。值得一提的是,全球最大的新能源汽车市场——中国,市场增速比预期还要快,短时间内将出现一钴难求的局面。分析师指出,如果钴的供应量无法稳步提升,钴价还将急剧上涨,这将对电动汽车市场的发展造成严重的影响。数据显示,自2016年初开始,钴在英国伦敦交易所的价格增长了270%,今年3月再创历史新高。电动汽车金属资源集团主管皮特·迪宁在一封邮件中表示,不管刚果(金)的政局是否会影响钴的出口,现在的高价已经充分体现出钴的紧缺性。
 
当前,松下一直在设法确保其在钴市场中的稳定供货,业内人士预测,到2018年松下的钴用量将达到近8000吨。此外,宝马、大众、三星SDI、LG化学等企业也都在寻求稳定的供货源,此前大众和宝马希望与钴供应商签订长期合同,但进展并不顺利。中国有色金属工业协会钴业分会秘书长徐爱东在日前举行的中国(青海)锂产业与动力电池国际高峰论坛上特地谈到了终端用户向上游供应商锁资源这一话题。她说:“为了锁住价格,很多企业要同上游供货商签订长达10年的合同,这一行为不太理智,虽然钴市现在很热,但是谁都不能保证现在就是低价。一方面价格锁不住;另一方面,很多钴矿业加入了‘负责任供应链’体系,希望能够实现钴行业可持续的矿产采购。”
 
高镍低钴大势所趋
 
面对日益增加的成本,全球电池供应商都在想方设法减少钴在三元电池中的含量,他们更改了电池正极材料的配方比例,将三元电池中镍钴锰或者镍钴铝的配比从6:2:2改为8:1:1。中国很多动力电池企业也都在布局高镍三元电池。高镍低钴,一方面是为了提高能量密度,另一方面是为了降低成本。
 
车企也在抓紧研发先进的技术,使钴在电池中的含量进一步减少。目前,比亚迪计划在今年年底前将镍钴锰的比例调整至8:1:1,宝马有望在2021年也采用该配方比例。预计到2020年,该类低钴电池将占到电动汽车电池总量的7%,到2030年这一比例将增长至57%,从而减少电池原材料对电池总价的影响。
 
显然,松下显得更为激进,希望将钴在三元电池中的含量降至零。松下汽车电池部门的负责人田村坚表示:“我们已经大大降低了钴在电池中的含量,钴在三元电池中的比例已经降到3%,现在我们的目标是实现无钴化,这项技术已经在研发当中。”作为特斯拉Model 3独 家电池供应商,目前松下在美国内华达州的超级工厂中生产电池。松下汽车业务负责人伊藤吉郎谈到,除了在电池技术上尽量减少钴的用量以外,松下还积极同钴的供应商进行协商,希望可以签订长期稳定的供应合同,“从而使公司避免因原材料价格的飙升而遭遇风险。”
 
5月初,特斯拉宣布其Model 3安装的电池已经极大地降低了钴的含量,与此同时提高了镍的含量,从而达到了有史以来最高的能量密度,并且实现了超强的耐热性。日前,特斯拉CEO马斯克在社交媒介上表示,在特斯拉Model 3的电池中,含钴量已经降到不到3%。他们将继续改进技术,争取在下一代电池中完全抛弃钴,改变“带血的电池”的名声。

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