联合研究小组开发多功能分离器 让电池可以在普通环境下组装生产

2020年诺贝尔化学奖的荣誉属于那些开发锂离子充电电池的人。这些电池已经成为从小型IT设备到电动汽车等电子设备必不可少的能源。美国领先汽车制造商特斯拉（Tesla）最近强调，必须建立创新的生产体系，降低电池成本。电池价格占电动汽车的很大一部分，降低成本对电动汽车的普及至关重要。

一个由朴淑珍教授和博士后化学系博士候选人宋慧斌（HyeBinSong）与蔚山学院（UlsanCollege）柳承敏（SeungminYoo）教授领导的联合研究小组成功地开发了一种多功能分离器，即使在环境空气中组装袋式电池，电池也能正常工作。

由于电池内部的电解液会与湿气发生反应，导致电池劣化，因此锂离子电池通常是在干燥的室内组装的，而干燥的室内的湿度保持在1%以下。然而，保持干燥的房间是相当昂贵的。

为了解决这个问题，研究人员通过向电解液中注入添加剂来抑制水分或氢氟酸等杂质。但在电池运行过程中，这些会引起不必要的副反应。事实上，当电池在高温（50°C或更高）下激活时，即使是一点点水分也会导致性能更快的恶化。因此，需要一种能够捕获电池中的水分和杂质而不对添加剂产生不利的电化学反应的材料。

为此，联合研究小组引入了功能材料，可以将杂质截留在分离器表面，从而提高热稳定性，改善电池性能。该多功能分离器表现出优异的耐热性（在140℃下储存30分钟后收缩率在10%以内。传统分离器具有50%的收缩率），并且在55℃的高温下进一步显示出改进的电化学性能（100次充电循环后保持初始容量的79%）。

此外，研究人员还证实了在充满杂质的环境中，电解液中功能材料的有效性。合成的功能陶瓷表面的硅烷化合物能很好地截留水分，保持陶瓷的结构，但一般陶瓷材料会受到酸化电解液的腐蚀。此外，通过这项研究，研究小组证实，这一次在环境空气中生产的多功能分离器比传统分离器具有更高的使用寿命，证实其性能稳定，超出了简单分离器的作用。

“这种新开发的多功能隔膜在高能量密度下表现出极大的稳定性和优异的电化学性能。”长期以来一直通过各种方法研究电池隔膜的朴素金教授说这是第一个在环境空气中制造电池的成功案例，有望在降低电池成本方面发挥重大作用。

电解质对电池性能的影响

电解质通过促进离子在充电时从阴极到阳极的移动以及在放电时反向的移动，充当使电池导电的催化剂。离子是失去或获得电子的带电原子。电池的电解质由液体，胶凝和干燥形式的可溶性盐，酸或其他碱组成。电解质也来自聚合物，如固态电池，固态陶瓷和熔融盐（如钠硫电池）中使用的聚合物。

铅酸电池

铅酸铅酸电池使用硫酸作为电解质。充电时，随着正极板上形成氧化铅（PbO2），酸变得更浓，然后在完全放电时变成几乎水。用比重计测量硫酸的比重。（另请参阅BU-903：如何测量荷电状态）。铅酸电池有溢流和密封形式，也称为阀控铅酸（VRLA）或免维护。

硫酸是无色的，略带黄绿色，可溶于水，具有强腐蚀性。阳极腐蚀或水进入电池组后会生锈，从而导致颜色偏黄。

铅酸电池具有不同的比重（SG）。深循环电池使用的SG高达1.330的致密电解质来实现高比能量，入门电池的平均SG约为1.265，而固定电池的SG较低，约为1.225，以缓和腐蚀并延长使用寿命。（请参阅BU-903：如何测量荷电状态。）。

镍镉电池（NiCd）

NiCd中的电解质是碱性电解质（氢氧化钾）。大多数NiCd电池是圆柱形的，其中将正极和负极的多层材料缠绕成果冻卷。NiCd的淹没版本用作商用飞机和在需要频繁循环的冷热气候下运行的UPS系统中的船用电池。NiCd比铅酸贵，但使用寿命更长。

镍氢电池（NiMH）

NiMH使用与NiCd相同或相似的电解质，通常是氢氧化钾。NiMH电极非常独特，由镍，钴，锰，铝和稀土金属组成，这些金属也用于锂离子中。NiMH仅提供密封版本。

氢氧化钾是一种化学式为KOH的无机化合物，通常称为苛性钾。电解质是无色的，具有许多工业应用，例如大多数软肥皂和液体肥皂中的成分。食入KOH是有害的。

锂离子（Li-ion）

锂离子电池使用液体，凝胶或干聚合物电解质。液体形式是易燃的有机形式，而不是水性形式，是锂盐与类似于碳酸亚乙酯的有机溶剂形成的溶液。将溶液与各种碳酸盐混合可提供更高的电导率并扩大温度范围。可以添加其他盐以减少放气并改善高温循环。

带有胶凝电解质的锂离子接受许多添加剂以增加电导率，锂聚合物电池也是如此。真正的干聚合物仅在高温下才具有导电性，该电池已不再用于商业用途。还添加了添加剂以达到长寿和独特的特性。

电解质应该稳定，但是锂离子却不是这种情况。钝化膜在阳极上形成，称为固体电解质界面（SEI）。该层将阳极与阴极分隔开，但允许离子像隔板一样穿过。本质上，必须形成SEI层才能使电池正常工作。薄膜可稳定系统并延长锂离子电池的使用寿命，但这会导致容量降低。电解质氧化也会发生在阴极上，从而永久降低容量。

为了防止膜变得过于严格，将添加剂与在形成SEI层期间消耗的电解质混合。

众所周知的添加剂是碳酸亚乙烯酯（VC）。这种化学物质延长了锂离子的循环寿命，尤其是在较高温度下，并且随着使用时间和使用年限的延长，其内阻也保持较低。VC还可以在阳极上保持稳定的SEI膜，而在阴极上没有电解质氧化的不利副作用（Aurbach等）。据说，学术界和研究界在添加剂的知识和选择方面都落后于电池制造商，因此这是一个很大的秘密。

对于大多数商用锂离子电池，SEI层会在75-90°C（167-194°F）的电池温度下分解。电池的类型和充电状态（SoC）会影响高温下的击穿。如果未正确冷却，可能会发生自热行为，从而导致热失控。在18650个电池上进行的实验室测试表明，这种热事件可能需要两天的时间才能形成。

锂离子电解质的可燃性是进一步关注的问题，并且已经进行了通过添加剂或开发非有机离子液体来生产不可燃或还原性可燃电解质的实验。还进行了研究以在低温下操作锂离子电池。在撰写本文时，这些电解质均未广泛用于商业用途。

干燥或缓慢地将液态电解质转变为固态是另一个老化事件，它降低了锂离子的性能。“当液体耗尽时，电池就没电了，”锂离子电池专家兼物理学教授JeffDahn说。电解质的流动性是与所有电池化学性质有关的另一种健康状态指标。