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電池行業(yè)應(yīng)用專(zhuān)題 | ALP_AN_205_CN_電解液潔凈度對(duì)電池性能的影響

奧法美嘉微納米應(yīng)用工程中心 -  范貯伶

摘要：在電池技術(shù)發(fā)展中，電解液潔凈度是影響電池性能的關(guān)鍵因素。純凈電解液可確保鋰離子在正負(fù)極間順暢傳輸，維持電池高效充放電性能；而電解液中混入微米甚至納米級(jí)顆粒雜質(zhì)，會(huì)嚴(yán)重破壞電池性能。當(dāng)粒徑超隔膜孔徑的顆粒雜質(zhì)刺穿隔膜引發(fā)物理短路，將導(dǎo)致電池內(nèi)部電流異常、電能瞬間釋放、產(chǎn)生高溫，甚至引發(fā)起火爆炸等安全事故。本文深入探討電解液潔凈度與電池性能的緊密聯(lián)系，分析雜質(zhì)的來(lái)源、危害及作用機(jī)制，旨在為提升電池性能、保障電池安全提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：電解液；顆粒雜質(zhì)；電池性能；潔凈度

一、電解液：電池性能的關(guān)鍵紐帶

二、隱藏的威脅：顆粒雜質(zhì)從何而來(lái)

顆粒雜質(zhì)雖尺寸微小（微米至納米級(jí)），但來(lái)源廣泛，主要集中在電池生產(chǎn)全流程。原料環(huán)節(jié)，鋰鹽、有機(jī)溶劑、正負(fù)極材料等若純度不足，可能自帶金屬氧化物、粉塵或殘留金屬雜質(zhì)離子；生產(chǎn)環(huán)境方面，車(chē)間空氣懸浮顆粒物、操作人員毛發(fā)皮屑等，若未通過(guò)高效空氣凈化系統(tǒng)和嚴(yán)格防護(hù)措施控制，易混入電解液；設(shè)備因素上，攪拌器、涂布機(jī)等設(shè)備磨損產(chǎn)生的金屬碎屑、塑料顆粒，以及過(guò)濾器精度不足或?yàn)V網(wǎng)破損導(dǎo)致的雜質(zhì)殘留，都是電解液中顆粒雜質(zhì)的重要來(lái)源。

三、“隱形殺手”的破壞機(jī)制

3.1刺穿隔膜，引發(fā)短路

顆粒雜質(zhì)對(duì)電池最直接且危害最大的破壞是刺穿正負(fù)極間的隔膜。電池隔膜孔徑通常為1-5μm，起著分隔正負(fù)極、防止短路的關(guān)鍵作用。當(dāng)電解液中存在粒徑超隔膜孔徑的較大顆粒時(shí)，這些顆粒會(huì)隨電解液流動(dòng)，在壓力作用下刺穿隔膜。隔膜破損后，正負(fù)極直接連通形成低電阻通路，導(dǎo)致電池內(nèi)部電流急劇增大。根據(jù)焦耳定律，大量熱量短時(shí)間積聚使電池溫度驟升，進(jìn)而引發(fā)電極材料結(jié)構(gòu)破壞、內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)失控及氣體膨脹，最終可能導(dǎo)致電池起火、爆炸。

3.2 其他潛在危害

除引發(fā)短路外，顆粒雜質(zhì)還會(huì)加劇電池自放電。雜質(zhì)形成的微小短路回路或金屬雜質(zhì)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致電池閑置時(shí)電量緩慢損耗，僅0.1ppm的銅離子污染就可大幅提升電池自放電率。同時(shí)，雜質(zhì)會(huì)干擾鋰離子正常傳輸，充電時(shí)阻礙鋰離子嵌入負(fù)極晶格，放電時(shí)影響其脫出返回速度，長(zhǎng)期積累導(dǎo)致電池實(shí)際可用容量衰減。實(shí)驗(yàn)表明，受顆粒雜質(zhì)污染的電池，經(jīng)相同充放電循環(huán)后容量衰減程度比純凈電解液電池高出30%以上。

四、防范與應(yīng)對(duì)：保障電解液潔凈度

4.1 生產(chǎn)環(huán)節(jié)把控

生產(chǎn)環(huán)節(jié)需嚴(yán)格把控雜質(zhì)混入。原料篩選上，建立嚴(yán)格質(zhì)量檢測(cè)體系，采用ICP-MS、光譜分析等高精度方法檢測(cè)原材料雜質(zhì)含量，對(duì)不合格原料堅(jiān)決退回；設(shè)備維護(hù)上，定期檢查攪拌器、涂布機(jī)等設(shè)備磨損情況，及時(shí)更換部件，對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行定期檢測(cè)更換，采用高精度納米過(guò)濾設(shè)備提升電解液純凈度。[2]

4.2 檢測(cè)與監(jiān)控技術(shù)

電解液雜質(zhì)檢測(cè)可采用多種先進(jìn)技術(shù)：ICP能快速準(zhǔn)確分析金屬雜質(zhì)含量，檢測(cè)限低至ppm或ppb級(jí)別；SEM可觀察顆粒雜質(zhì)形貌、尺寸及分布；EDS、AAS等設(shè)備可相互補(bǔ)充實(shí)現(xiàn)全面檢測(cè)。同時(shí)，生產(chǎn)線(xiàn)上需安裝顆粒計(jì)數(shù)器、電導(dǎo)率傳感器等在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)電解液關(guān)鍵指標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)異常立即報(bào)警處理，避免受污染電解液進(jìn)入下道工序，為電解液潔凈度提供有力保障。

4.3 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求

SJ/T 11723-2018《鋰離子電池用電解液》：規(guī)定鋰離子電池電解液應(yīng)為無(wú)沉淀、無(wú)懸浮物或無(wú)分層的液體。根據(jù)行業(yè)實(shí)際情況，電解液顆粒管控行業(yè)內(nèi)有個(gè)默認(rèn)的粒徑值，即管控 1μm 以上的顆粒，以此來(lái)判定電解液的清潔度，國(guó)內(nèi)一些大型的蓄電池企業(yè)通常采用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。不過(guò)，也有少數(shù)企業(yè)因自身工藝要求較高，會(huì)對(duì) 0.5μm 的顆粒進(jìn)行管控。

雖然標(biāo)準(zhǔn)未直接規(guī)定檢測(cè)要求，但顆粒計(jì)數(shù)器可將該定性要求轉(zhuǎn)化為定量數(shù)據(jù)，避免主觀判斷誤差，精準(zhǔn)匹配標(biāo)準(zhǔn)對(duì) “無(wú)懸浮物” 的外觀要求及潛在顆粒物管控需求。

Entgeris旗下的AccuSizer A7000系列液體顆粒計(jì)數(shù)器具有高靈敏度，高分辨率，高達(dá)1024數(shù)據(jù)通道的特點(diǎn)。在檢測(cè)液體中的顆粒數(shù)量的同時(shí)精確測(cè)量顆粒的粒度及粒度分布。其檢測(cè)樣品范圍為0.5μm-400μm，樣品濃度為10000個(gè)/mL。

五、行業(yè)現(xiàn)狀與展望

當(dāng)前電池行業(yè)對(duì)電解液潔凈度重視度日益提升，企業(yè)通過(guò)嚴(yán)格生產(chǎn)工藝和質(zhì)量檢測(cè)把控雜質(zhì)，提升電池性能與安全性；儲(chǔ)能領(lǐng)域?yàn)楸Ｕ舷到y(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，也優(yōu)先選擇高潔凈度電解液電池。[3]但行業(yè)仍面臨挑戰(zhàn)：痕量及特殊雜質(zhì)檢測(cè)精度有待提高，大規(guī)模生產(chǎn)中電解液潔凈度的穩(wěn)定性與一致性難以保證。未來(lái)，基于納米技術(shù)的高靈敏度傳感器將提升檢測(cè)能力，智能化自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)將實(shí)現(xiàn)高潔凈度電解液規(guī)模化生產(chǎn)，新型凈化技術(shù)與材料的研發(fā)也將進(jìn)一步為電池性能提升奠定基礎(chǔ)。

^結(jié)論

^{電解液潔凈度對(duì)電池性能起決定性作用，純凈電解液保障鋰離子順暢傳輸，而顆粒雜質(zhì)會(huì)引發(fā)短路、自放電加劇及容量衰減等問(wèn)題。生產(chǎn)原料、環(huán)境與設(shè)備是雜質(zhì)主要來(lái)源，需通過(guò)嚴(yán)格生產(chǎn)把控與先進(jìn)檢測(cè)監(jiān)控技術(shù)防范危害。盡管行業(yè)面臨挑戰(zhàn)，但持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新將推動(dòng)電解液潔凈度提升，為新能源汽車(chē)、儲(chǔ)能等領(lǐng)域發(fā)展提供動(dòng)力，助力全球能源轉(zhuǎn)型與可持續(xù)發(fā)展。}