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Grabner微量蒸氣壓測定儀在電池電解液中的應(yīng)用
  • 發(fā)布日期:2025-05-15      瀏覽次數(shù):532
    • 01
      鋰電池簡介

      鋰電池(Lithium battery)是指電化學(xué)體系中含有鋰(包括金屬鋰、鋰合金和鋰離子、鋰聚合物)的電池。

      鋰離子電池的基本構(gòu)成包括:正極、負(fù)極、電解液、其他配件等等。鋰離子電池由于具有能量密度高、輸出電壓高、循環(huán)壽命長、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn),在電子產(chǎn)品、電動汽車、航空航天等領(lǐng)域有著極其重要的應(yīng)用。

      圖片1.png

      02
      電解液主要成分

      在鋰離子電池中最重要的組成部分是電極材料和電解液。其中,鋰電池電解液主要成分介紹:

      1. 碳酸乙烯酯:分子式: C3H4O3

      透明無色液體(>35℃),室溫時為結(jié)晶固體。沸點(diǎn):248℃/760mmHg,243-244℃/740mmHg;閃點(diǎn):160℃;密度:1.3218;折光率:1.4158(50℃);熔點(diǎn):35-38℃;本品是聚丙烯腈、聚氯乙烯的良好溶劑。在電池工業(yè)上,可作為鋰電池電解液的優(yōu)良溶劑。

      2. 碳酸丙烯酯 分子式:C4H6O3

      是一種優(yōu)良的極性溶劑。本產(chǎn)品主要用于高分子作業(yè)、氣體分離工藝及電化學(xué)

      3. 碳酸二乙酯 分子式:CH3OCOOCH3

      無色液體,稍有氣味;蒸氣壓1.33kPa/23.8℃;閃點(diǎn)25℃(可燃液體能揮發(fā)變成蒸汽,跑入空氣中。溫度升高,揮發(fā)加快。)熔點(diǎn)-43℃;沸點(diǎn)125.8℃;溶解性:不溶于水,可混溶于醇、酮、酯等多數(shù)有機(jī)溶劑;密度:相對密度(水=1)1.0;相對密度(空氣=1)4.07;穩(wěn)定性:穩(wěn)定;危險標(biāo)記7(易燃液體);主要用途:用作溶劑及用于有機(jī)合成

      圖片2.png

      溶劑是作業(yè)電解液的根基,又是溶質(zhì)和添加劑的載體。溶劑的性質(zhì)取決于它的成分和分子結(jié)構(gòu)。溶劑分子相互間的作用力決定著溶劑的粘度、蒸氣壓、凝固點(diǎn)和沸點(diǎn)等。溶劑分子和溶質(zhì)分子間的作用力又影響溶質(zhì)的溶解度和溶劑化程度。同時,溶劑又是決定作業(yè)電解液運(yùn)用溫度規(guī)模的關(guān)鍵因素之一,對電解電容器電功能影響極大。

      對作業(yè)電解液用的溶劑有如下基本需求:

      1. 具有寬的溫度改變規(guī)模、高的沸點(diǎn)和低的凝固點(diǎn)。

      2. 具有小的飽滿蒸氣壓。由于電解液飽滿蒸氣壓取決于溶劑的飽滿蒸氣壓,而有小的飽滿蒸氣壓的電解液,可大大提高電解電容器的壽命。

      3. 需求有較低的粘度,且粘度隨溫度改變要平整。由于低粘度,離子的搬遷快,改進(jìn)了電解電容器的頻率特性;同時低粘度也易浸透人陽極微孔中,使電解電容器的等效串聯(lián)電阻削減。

      4. 盡可能有較大的電容率和較小的介質(zhì)損耗。

      5. 化學(xué)穩(wěn)定性好,與它相觸摸的資料不被腐蝕和不被溶脹。

      6. 易于溶解溶質(zhì),溶劑與溶質(zhì)間有較強(qiáng)的溶劑化效應(yīng)。

      7. 無毒或毒性極低,環(huán)保型溶劑。


      03
      電解液蒸氣壓的重要性

      電解液高溫長壽命的影響因素主要有飽和蒸氣壓值、高溫穩(wěn)定性性能、閃火電壓、氧化效能及氧化膜性能等。為保證鋰離子電池產(chǎn)品的高溫長壽命, 電解液應(yīng)具有如下性能:極低的飽和蒸氣壓會減少揮發(fā);非常好的高溫穩(wěn)定性防止高溫性能劣化;較高的閃火電壓是為了防止擊穿;較高的氧化效率能及時修復(fù)受損的氧化膜來降低漏電流等。

      其中,電解液是鋰離子電池高溫長壽命產(chǎn)品的關(guān)鍵。由于電解液飽滿蒸氣壓取決于溶劑的飽滿蒸氣壓,而有小的飽滿蒸氣壓的電解液,可大大提高電解電容器的壽命。近年來關(guān)于鋰離子電池引發(fā)的火災(zāi)甚至爆炸的報道已屢見不鮮,主要是由于電解液的蒸氣壓越大,揮發(fā)性越大,由于電池高溫使用過程中,更加快電解液揮發(fā)性能的增大,造成了電池內(nèi)部壓力過大的結(jié)果。因此,鋰離子電池的安全問題引起人們普遍的關(guān)注;同時安全問題也是制約鋰離子電池向大型化、高能化方向發(fā)展的瓶頸。



      04
      蒸氣壓測定儀在電解液的生產(chǎn)安全研究方面的應(yīng)用

      在《鋰離子電池電解液的安全性研究進(jìn)展》文章中從電解液的燃燒性能和電池電極材料的熱穩(wěn)定性兩個角度,分別介紹了無閃點(diǎn)溶劑和阻燃電解液方面的研究狀況,以及電極材料與電解液之間和電解液自身的熱穩(wěn)定性的影響因素和改善其熱穩(wěn)定性的措施。

      鋰離子電池最重要的組成部分是電極材料和電解液。鋰離子電池使用易燃的有機(jī)溶劑作為電解液,容易揮發(fā)。它是鋰離子電池發(fā)生火災(zāi)或爆炸事故主要原因之一。在電池遭到破壞后,有機(jī)溶劑及其蒸汽容易著火引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸。此外,鋰離子電池的安全性能還涵蓋電極材料與電解液之間的熱穩(wěn)定性,包括在正常的充放電過程中、甚至在非正常的濫用條件下,電池本身不被破壞的熱穩(wěn)定性能。

      在通常狀況下,傳統(tǒng)的己二酸銨/乙二醇加水體系工作電解液基礎(chǔ)上,通過調(diào)整組分,使電解液的沸點(diǎn)提高,蒸氣壓降低,組合成能滿足要求的優(yōu)良電解液,適用范圍從-40~+85℃拓寬到-40~+105℃,且不必加入另外的任何添加劑。

      在溶劑方面,單用乙二醇我們認(rèn)為已經(jīng)可以滿足135℃使用要求,但由于使用了氣密性好的丁基膠,我們選擇乙二醇以及其它多元醇類溶劑混合來降低飽和蒸氣壓,更能有效的防止電容器高溫工作時過早鼓底。


      05
      蒸氣壓測定儀在軟包裝鋰離子電池研究方面的應(yīng)用

      在中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院發(fā)表的《軟包裝鋰離子電池有機(jī)電解液的電化學(xué)行為》一文中制備了軟包裝鋰離子電池,并研究了電解質(zhì)與四種混合溶劑的電解液組成的鋰離子電池。并測試了電解液的蒸氣壓和電池的高溫貯存性能等。

      在文中,作者研究了電解液的電化學(xué)特性。其中,γ-丁內(nèi)酯對電解液蒸氣壓的影響。提到軟包裝鋰離子電池在338K的溫度環(huán)境下工作時,電池的厚度變化小,電池安全性好。電池厚度增加值指在經(jīng)過火化后電池厚度基礎(chǔ)上,一定條件下電池的厚度變化值。軟包裝鋰離子電池由于所采用的鋁塑復(fù)合膜質(zhì)地柔軟,很小背壓,既可導(dǎo)致電池嚴(yán)重膨脹。因此,要求電解液在323K以上的溫度環(huán)境中具有更低的蒸氣壓。從而研究如何可以有效降低電解液的蒸氣壓特性。

      下圖3為電解液1mol/L LiPF6 EC/DMC(質(zhì)量比1:1),1mol/L LiPF6 EC/GBL(質(zhì)量比4:3)和1mol/L LiPF6 EC/DMC/GBL (質(zhì)量比4:4:3)在273~373K溫度范圍內(nèi)的蒸氣壓。由圖可知,EC/DMC電解液的蒸氣壓值隨著溫度的升高而迅速增大,尤其是當(dāng)溫度高于313K,蒸氣壓的變化速率非常大。EC/GBL與EC/DMC/GBL電解液的蒸氣壓的變化較小,說明這兩種電解液受到的溫度影響較小。

      圖片圖片3.png

      圖3 電解液蒸氣壓與溫度的變化關(guān)系

       a :1mol/L LiPF6 EC/DMC(質(zhì)量比1:1)

      b :1mol/L LiPF6 EC/GBL(質(zhì)量比4:3)

       c :1mol/L LiPF6 EC/DMC/GBL (質(zhì)量比4:4:3)

      總的來說,做這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究的主要目的就是研究如何才能讓電解液的蒸氣壓越小。因?yàn)殡娊庖旱恼魵鈮涸酱螅娊庖旱膿]發(fā)程度也就會變大,對于封裝好的鋰離子電池,尤其在高溫條件下,內(nèi)壓也就會越大,從而極易會導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生爆炸情況,同時也會減少電池的使用壽命。


      06
      蒸氣壓測定儀在電解液運(yùn)輸和存儲中的應(yīng)用

      電解液一般都是易燃的有機(jī)溶劑,如果其蒸氣壓非常大,很容易就會揮發(fā),那么在存貯或使用過程中會有蒸發(fā)散失,同時揮發(fā)出的蒸汽和空氣結(jié)合,遇到明火后很容易就會發(fā)生火災(zāi)或者是爆炸。所以,國家安監(jiān)總局印發(fā)的關(guān)于《化學(xué)品物理危險性鑒定與分類管理辦法》及《關(guān)于危險貨物運(yùn)輸?shù)慕ㄗh書》中對于危化品易燃液體分類包裝存儲運(yùn)輸明確規(guī)定了蒸氣壓測試的必要性。因此,蒸氣壓的測試是非常有必要的。


      07
      Grabner MINIVAP VP VISION 微量蒸氣壓測定儀產(chǎn)品介紹

      作為MINIVAP VPXpert的升級版,MINIVAP VP VISION是一臺高度靈活的便攜式蒸氣壓測定儀,具有高精度和0-2000kPa的壓力范圍。它也是一臺通過持久性和堅(jiān)固性認(rèn)證,具有強(qiáng)大分析能力的分析儀。基于Grabner Instruments具有前沿的CockpitTM技術(shù),儀器具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能,是一臺擁有著全球化特質(zhì)的智能型測定儀。

      圖片


      • 無需預(yù)處理:直接測試無需真空泵

      • 高精度與準(zhǔn)確性

      • 智能操作全自動測試,一鍵完成

      • 微量測試僅需1ml樣品

      • 測試范圍寬壓力,0-2000kpa;溫度0-120℃(可擴(kuò)展至-100~300℃)

      • 快速高效:5min完成檢測

      • 自動中央潤滑系統(tǒng):無需維護(hù)

      • 調(diào)速穩(wěn)油:內(nèi)置可調(diào)速振蕩板,用于原油測試快速平衡

      • 防污染設(shè)計(jì):進(jìn)樣閥技術(shù),減少交叉污染

      • 檢測標(biāo)準(zhǔn)齊全:內(nèi)置幾乎所有飽和蒸氣壓測試標(biāo)準(zhǔn)

      • 應(yīng)用廣泛可測試汽油、航煤、原油、液化石油氣、電解液、香精香料、溶劑等




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