隨著全球?qū)沙掷m(xù)能源解決方案的需求不斷增長(zhǎng)，鋰離子電池技術(shù)已成為推動(dòng)這一變革的關(guān)鍵力量。這些電池以其卓越的能量密度、快速充電能力和環(huán)境可持續(xù)性而聞名，廣泛應(yīng)用于從便攜式電子設(shè)備到電動(dòng)汽車的各個(gè)領(lǐng)域。在這些電池中，電解質(zhì)扮演著至關(guān)重要的角色。本文，美能光子灣將帶您深入探討電解質(zhì)的分類、特性以及凝膠聚合物電解質(zhì)（GPE）在現(xiàn)代鋰離子電池中的應(yīng)用。

Part.01

電解質(zhì)簡(jiǎn)介

電解質(zhì)是電池的重要組成部分之一，是在電池內(nèi)部正、負(fù)極之間起到建立離子導(dǎo)電通道，同時(shí)阻隔電子導(dǎo)電的物質(zhì)。因此，鋰離子電池的電化學(xué)性能與電解質(zhì)的性質(zhì)密切相關(guān)。

要保證鋰離子電池具備良好的電化學(xué)性能和安全性能，電解質(zhì)體系需要具備如下特點(diǎn)：①在較寬的溫度范圍內(nèi)離子導(dǎo)電率高、鋰離子遷移數(shù)大，減少電池在充放電過(guò)程中的濃差極化，提高倍率性能。

②熱穩(wěn)定性好，保證電池在合適溫度范圍內(nèi)使用。

③電化學(xué)窗口寬，最好有0~5V的電化學(xué)穩(wěn)定窗口。

④化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，保證電解質(zhì)在兩極不發(fā)生顯著的副反應(yīng)，滿足在電化學(xué)過(guò)程中電極反應(yīng)的單一性。

⑤電解質(zhì)代替隔膜使用時(shí)，還要具有良好的力學(xué)性能和可加工性能。

⑥安全性好，閃點(diǎn)高或不燃燒。

⑦價(jià)格成本低，無(wú)毒物污染，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。

Part.02

電解質(zhì)分類

鋰離子電池電解質(zhì)可以分為：液態(tài)電解質(zhì)、半固態(tài)(凝膠聚合物)電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)。各類鋰離子電池電解質(zhì)的性質(zhì)對(duì)比如下圖所示：

各類鋰離子電池電解質(zhì)的性質(zhì)對(duì)比

分類.01

液態(tài)電解質(zhì)

液態(tài)電解質(zhì)也被稱為電解液，鋰離子電池常用的有機(jī)液體電解質(zhì)，也稱為非水液體電解質(zhì)。其通常由鋰鹽、有機(jī)溶劑和添加劑組成。

鋰鹽主要起到提供導(dǎo)電離子的作用，六氟磷酸鋰是商業(yè)化鋰離子電池采用的最多的鋰鹽。有機(jī)溶劑的主要作用是溶解鋰鹽，使鋰鹽電解質(zhì)形成可以導(dǎo)電的離子，常用的有碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸二乙酯等。添加劑一般起到改進(jìn)和改善電解液電性能和安全性能的作用。比如改善SEI膜的性能、防止過(guò)充電過(guò)放電和避免電池在過(guò)熱條件下燃燒或爆炸。

分類.02

固態(tài)電解質(zhì)

固態(tài)電解質(zhì)可以分為固體聚合物電解質(zhì)和無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)。固體聚合物電解質(zhì)是由聚合物和鋰鹽組成，可以近似看作是將鹽直接溶于聚合物中形成的固態(tài)溶液體系。固體聚合物電解質(zhì)與凝膠聚合物電解質(zhì)的主要區(qū)別是不含有液體增塑劑，只有聚合物和鋰鹽兩個(gè)組分。固體聚合物電解質(zhì)具有不可燃、與電極材料間的反應(yīng)活性低、柔韌性好等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)，一般是指具有較高離子導(dǎo)電率的無(wú)機(jī)固體物質(zhì)，用于鋰離子電池的無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)也稱為鋰快離子導(dǎo)體。用于全固態(tài)鋰離子電池的無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)包括玻璃電解質(zhì)和陶瓷電解質(zhì)。無(wú)機(jī)固體鋰離子電解質(zhì)不僅能排除電解質(zhì)泄漏問(wèn)題，還能徹底解決因可燃性有機(jī)電解液造成的鋰離子電池的安全性問(wèn)題，因此在高溫電池和動(dòng)力電池組方面顯示了很好的應(yīng)用前景。

分類.03

半固態(tài)(凝膠聚合物)電解質(zhì)

凝膠聚合物電解質(zhì)（GPE）是液體與固體混合的半固態(tài)電解質(zhì)，聚合物分子呈現(xiàn)交聯(lián)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在其結(jié)構(gòu)空隙中間充滿了液體增塑劑，鋰鹽則溶解于聚合物和增塑劑中。

凝膠聚合物電解質(zhì)在鋰離子電池中的應(yīng)用

凝膠聚合物電解質(zhì)（GPE）在儲(chǔ)能領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注，因?yàn)樗鼈兙哂歇?dú)特的特性，并在各種電化學(xué)設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用潛力。這種凝膠基質(zhì)在促進(jìn)離子傳輸方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，有助于電池、燃料電池和超級(jí)電容器中的有效電荷轉(zhuǎn)移。與固體聚合物電解質(zhì)相比，凝膠聚合物電解質(zhì)在鋰離子電池的實(shí)際應(yīng)用中具有更大的前景，因?yàn)樗鼈儗⒁后w電解質(zhì)的高離子電導(dǎo)性與類似于固體聚合物電解質(zhì)的良好機(jī)械性能結(jié)合起來(lái)。

從離子電導(dǎo)率和機(jī)械性能以及熱穩(wěn)定性方面對(duì)各類電解質(zhì)進(jìn)行比較

Part.03

凝膠聚合物電解質(zhì)在高鎳陰極中的應(yīng)用

在現(xiàn)代鋰離子電池中，使用高鎳陰極如NCM和NCA，以及像LiFePO4這樣的材料時(shí)，GPEs越來(lái)越受到青睞，因?yàn)樗鼈兙哂斜姸鄡?yōu)勢(shì)。高鎳陰極具有出色的能量密度和容量，是電動(dòng)汽車和先進(jìn)電子產(chǎn)品高性能應(yīng)用的關(guān)鍵組成部分。LiFePO4以其出色的熱穩(wěn)定性、長(zhǎng)循環(huán)壽命和安全特性而聞名，是優(yōu)先考慮穩(wěn)健和一致性能的應(yīng)用的理想選擇。然而，盡管這些材料具有許多優(yōu)點(diǎn)，但也面臨著安全問(wèn)題、熱不穩(wěn)定性和加速退化等挑戰(zhàn)，而GPES可以有效解決這些問(wèn)題。

GPEs通過(guò)其半固態(tài)的組成，顯著提高了安全性，減少了泄漏和易燃的風(fēng)險(xiǎn)，從而增強(qiáng)了整體安全性。它們還提供了更高的機(jī)械穩(wěn)定性，有助于減輕高鎳陰極和LiFePO4在充放電循環(huán)中經(jīng)歷的體積變化和機(jī)械應(yīng)變，從而保持電池的完整性。此外，GPEs支持NCM和NCA陰極的高電壓操作同時(shí)與LiFePO4的低電壓范圍兼容，這對(duì)于優(yōu)化不同電池化學(xué)的能量密度和效果至關(guān)重要。

隨著鋰離子電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，凝膠聚合物電解質(zhì)（GPE）因其卓越的性能和廣泛的應(yīng)用潛力，已經(jīng)成為儲(chǔ)能領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。未來(lái)，隨著材料科學(xué)和電池技術(shù)的進(jìn)一步突破，GPE有望在解決現(xiàn)有挑戰(zhàn)的同時(shí)，為可持續(xù)能源解決方案提供更加高效、環(huán)保的途徑。美能光子灣期待GPE在鋰離子電池技術(shù)革新中發(fā)揮更大的作用，為全球能源轉(zhuǎn)型貢獻(xiàn)力量。

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