電極の濡れに対するリチウムイオン電池の溶媒とリチウム塩の影響

現在、リチウムイオン電池は、3C電子機器、電気自動車、エネルギー貯蔵の分野で広く開発されています。より高いエネルギー密度とより優れた性能を備えたリチウムイオン電池に対する市場の需要が急速に高まっています。高エネルギー密度のリチウムイオン電池の開発においては、電極の容量利用率を向上させ、高い圧縮密度による浸透の困難さをどのように改善するかが重要な技術課題であり、電解液の濡れ性を効果的に改善することが重要であると特定されています。この問題を解決する鍵。リチウムイオン電池の製造では、濡れが不均一であると電流密度分布が不均一になり、電解質界面膜 (セイ) が不安定に形成されます。同時に、不完全な浸透はバッテリーの性能に直接影響し、リチウムの析出の発生につながり、一連の安全上の問題を引き起こします。つまり、リチウムイオン電池の原料電解質は、リチウムイオン電池の研究開発の核となる部分です。高性能リチウムイオン電池開発の鍵となるのは、電極に対する電解液の濡れ性の検討と評価です。

リチウムイオン電池の電解液には通常、安定性の高い有機電解液が使用されます。有機電解質には主にリチウム塩、溶媒、添加剤が含まれています。各部品の濃度と種類は、電解液とバッテリーの性能に直接影響します。図1は電解質関連研究の概要です。統計によれば、溶媒は電解液の質量の 85%、コストの 30% を占めます。電解液はパワーバッテリーのコストの 6% ～ 8% を占めます (主流の NCM523 バッテリーコア材料の電解液のコストは約 5.6% を占め、リン酸鉄リチウム (LFP) バッテリー材料の電解液のコストは約 8.5% を占めます) %); 動力電池は新エネルギー車のコストの 40% を占めます。包括的な統計によると、溶剤は動力電池のコストの 1.8% ～ 2.4%、新エネルギー車のコストの 0.72% ～ 0.96% を占めています。電解液には、"混合溶媒系"、その95%は"カーボネート溶媒"構造に応じて環状カーボネートと鎖状カーボネートに分けられ、ジメチルカーボネート（DMC）、ジエチルカーボネート（12月）、エチルメチルカーボネート（EMC）、エチレンカーボネート（EC）、プロピレンカーボネート（パソコン）が含まれます。溶媒の主な機能は、リチウム塩を溶解し、導電性イオンを形成することです。リチウム塩は主に導電性イオンを提供する役割を果たします。六フッ化リン酸リチウム (LiPF6) は、現在最も一般的に使用されているリチウム塩です。電解質の粘度はリチウム塩と溶媒によって決まり、粘度は電解質の湿潤性に直接関係します。

図1. 電解質関連研究の概要

この記事では、主に IEST が開発した電解質湿潤システム (EWS1100) を組み合わせ、さまざまな溶媒と電解質を使用して毛細管の湿潤性の違いを評価し、さまざまな溶媒と電解質システムの湿潤性の違いに対する実行可能なテスト ソリューションを提供します。

この記事は主に毛細管浸透試験システムに基づいており、系統的な試験のために負極板のさまざまな圧縮密度と組み合わせて、さまざまな圧縮密度における電極板の濡れ性の違いを評価しています。

実験装置と試験方法

1.実験装置：モデルEWS1100（IEST）。&注意;

装置の外観を図2に示します。

図 2. EWS1000 装置の概略図

2.サンプルの準備とテスト

2.1 サンプルの準備: パソコン\12月\DMC\EMC の 4 つの溶媒と L01\L02\L03\L04 の 4 つの電解質を使用して、同じ電極で濡れテストを実行します。

2.2 試験プロセス: 試験サンプルの前処理 → サンプルの標準化された固定 → 機器の接続とソフトウェアパラメータ設計 → 自動キャピラリー吸引 → 自動キャピラリー圧力試験 → 視覚認識システムによるキャピラリー液面のリアルタイム監視 → データ収集と処理。

3.試験原理

電解液湿潤システム（EWS1100）は、正極板、負極板、セパレータ間の電解液浸透の違いを定量的に評価することができ、電解液浸透評価に有効な手法となります。図３は毛細管浸透法の試験原理の模式図である。ガラス毛細管は磁極片の表面に接触しており、電解液は毛細管内に注入されます。電解質がコーティングに浸透し続けると、毛細管の液面は減少し続けます。視覚認識システムはキャピラリーの液面高さをリアルタイムで記録します。液面の動的展開プロセスは、電解質浸透のリアルタイム プロセスです。高さの変化が電解液の浸透量となります。

図 3. 毛細管湿潤法の試験原理

濡れ試験結果

リチウムイオン電池の溶剤には、誘電率が高く、粘度が小さい有機溶剤が一般的に使用されます。誘電率が高いほど、リチウム塩の溶解と解離が容易になります。粘度が低いほど、イオンの移動は速くなります。ただし、誘電率が高い溶媒は通常粘度が高く、粘度が低い溶媒は誘電率が低くなります。したがって、実際の用途では、通常、最適な電解質システムを得るために複数の溶媒が混合されます。混合系の研究と比較して、単一系の性能評価は、電解質の体系的な研究開発の基礎となります。この実験では、異なる特性を持つ 4 つの溶媒 (たとえば、表 1 に 4 つの溶媒の物理的特性指標を示します) を最初に選択し、ポールピース レベルで毛細管浸透特性評価を実施し、この方法で異なる溶媒の浸透の違いを評価しました。

表 1. 各種溶媒の物性

EWS1100 シリーズ電解液浸透装置と組み合わせて、10μl キャピラリー チューブを使用して、同じポールピース上の異なる溶媒間の違いを評価し、データを正規化しました。例えば、表 2 に各溶媒の浸透量データの比較結果を、図 4 に各溶媒の浸透量比較曲線を示します。曲線の傾きから、異なる溶媒間の浸透に明らかな違いがあることがはっきりとわかります。そのうち、DMC は約 20 秒でサンプリングされた液体のすべての浸透を完了しました。10秒と20秒の浸透量の結果から判断すると、どちらもPC＜12月＜EMC＜DMCの浸透傾向を示しました。この傾向は溶媒の粘度の結果とは逆です。したがって、粘度は市販の電解質溶液の開発および使用における重要な指標であり、さらに、通常はセル注入段階で適切な温度を提供する必要があります。これは、温度を適切に上昇させると電解質の粘度が低下し、それによって注入および浸透プロセスが加速されるためでもあります。

表 2. さまざまな溶媒の濡れ性の違い

図 4. 4 つの異なる溶媒の毛細管湿潤曲線

電解質のリチウム塩は、リチウムイオンの伝導の基礎です。適切なリチウム塩は、良好な熱安定性と容易に分解しないこと、高いイオン伝導性、良好な化学的および電気化学的安定性、および低コストを備えていなければなりません。リチウム塩には多くの種類がありますが、リチウムイオン電池に適したものは非常に限られています。現在、実験室や工業生産で一般的に使用されるリチウム塩は、陰イオン半径が大きく、酸化と還元が安定しているリチウム塩が一般的に選択されており、その中でも六フッ化リン酸リチウム（LiPF）が選ばれています。₆）は現在、リチウムイオン電池で最も使用されているリチウム塩です。この実験では、一定のリチウム塩濃度で電解質比率を実行するために異なる溶媒を組み合わせ、表 3 に示す 4 つの比率で電解質を調製します。主成分は パソコン、EMC、DMC、12月 に 1M LiPF を加えたものです。₆、これら 4 つの電解質を組み合わせて、毛細管現象に基づく濡れ性試験を実行しました。

表 3. 4 つの電解質システムの成分

例えば、表 4 は、溶媒比率の異なる 4 つの電解質系の浸透量データの比較結果を示しています。図 5 は、さまざまな電解質の毛細管浸透の比較曲線を示しています。曲線の傾きから、4 つの電解質の浸透条件には明らかな違いがあります。浸透量テーブルから、浸透傾向Ｌ０１＜Ｌ０４＜Ｌ０２＜Ｌ０３がさらに明確になる。電解質成分の分析と組み合わせると、この傾向はリチウム塩を添加しない純粋な溶媒の傾向と一致しますが、純粋な溶媒と比較して、リチウム塩を添加すると電解質の濡れ性が低下します。DMC と 1M リチウム塩を添加した L03 を比較すると、DMC は初期液体浸透をすべて約 20 秒で完了しましたが、L03 は初期液体体積の 34.8% のみ 50 秒で完了しました (50 秒間の浸透体積/初期液面高さ)。 ); この結果は主に、溶媒にリチウム塩を添加すると液体の粘度が増加し、粘度の変化が電解質の湿潤性の低下に直接つながることを考慮しています。

表 4. さまざまな電解質の濡れ性の違い

 図 5. 4 つの異なる電解質の毛細管湿潤曲線

結論

リチウムイオン電池に使用される電解質は、有機非プロトン性混合溶液に適切な濃度のリチウム塩を溶解させたものです。一般的な電解質は、一般に、リチウム塩濃度 1M の混合カーボネート溶媒から構成される系です。リチウム塩、溶媒、電解質システムの品質の選択は、バッテリーのサイクル効率、動作電圧、動作温度、耐用年数を決定し、バッテリーの全体的な性能に決定的な役割を果たします。電解液の粘度が濡れ性の鍵となります。この記事では、粘度の異なる溶媒や溶液にリチウム塩を添加した場合の濡れ性の違いを評価し、粘度が濡れ性に及ぼす影響を明らかにします。実際の電解質配合の開発プロセスでは、極レベルでの浸透評価が重要な参考指標として使用できます。

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