2020年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的榮譽(yù)屬于那些開發(fā)鋰離子充電電池的人。這些電池已經(jīng)成為從小型IT設(shè)備到電動(dòng)汽車等電子設(shè)備必不可少的能源。美國領(lǐng)先汽車制造商特斯拉（Tesla）最近強(qiáng)調(diào)，必須建立創(chuàng)新的生產(chǎn)體系，降低電池成本。電池價(jià)格占電動(dòng)汽車的很大一部分，降低成本對(duì)電動(dòng)汽車的普及至關(guān)重要。

一個(gè)由樸淑珍教授和博士后化學(xué)系博士候選人宋慧斌（HyeBinSong）與蔚山學(xué)院（UlsanCollege）柳承敏（SeungminYoo）教授領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究小組成功地開發(fā)了一種多功能分離器，即使在環(huán)境空氣中組裝袋式電池，電池也能正常工作。

由于電池內(nèi)部的電解液會(huì)與濕氣發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致電池劣化，因此鋰離子電池通常是在干燥的室內(nèi)組裝的，而干燥的室內(nèi)的濕度保持在1%以下。然而，保持干燥的房間是相當(dāng)昂貴的。

為了解決這個(gè)問題，研究人員通過向電解液中注入添加劑來抑制水分或氫氟酸等雜質(zhì)。但在電池運(yùn)行過程中，這些會(huì)引起不必要的副反應(yīng)。事實(shí)上，當(dāng)電池在高溫（50°C或更高）下激活時(shí)，即使是一點(diǎn)點(diǎn)水分也會(huì)導(dǎo)致性能更快的惡化。因此，需要一種能夠捕獲電池中的水分和雜質(zhì)而不對(duì)添加劑產(chǎn)生不利的電化學(xué)反應(yīng)的材料。

為此，聯(lián)合研究小組引入了功能材料，可以將雜質(zhì)截留在分離器表面，從而提高熱穩(wěn)定性，改善電池性能。該多功能分離器表現(xiàn)出優(yōu)異的耐熱性（在140℃下儲(chǔ)存30分鐘后收縮率在10%以內(nèi)。傳統(tǒng)分離器具有50%的收縮率），并且在55℃的高溫下進(jìn)一步顯示出改進(jìn)的電化學(xué)性能（100次充電循環(huán)后保持初始容量的79%）。

此外，研究人員還證實(shí)了在充滿雜質(zhì)的環(huán)境中，電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，保持陶瓷的結(jié)構(gòu)，但一般陶瓷材料會(huì)受到酸化電解液的腐蝕。此外，通過這項(xiàng)研究，研究小組證實(shí)，這一次在環(huán)境空氣中生產(chǎn)的多功能分離器比傳統(tǒng)分離器具有更高的使用壽命，證實(shí)其性能穩(wěn)定，超出了簡(jiǎn)單分離器的作用。

“這種新開發(fā)的多功能隔膜在高能量密度下表現(xiàn)出極大的穩(wěn)定性和優(yōu)異的電化學(xué)性能。”長(zhǎng)期以來一直通過各種方法研究電池隔膜的樸素金教授說這是第一個(gè)在環(huán)境空氣中制造電池的成功案例，有望在降低電池成本方面發(fā)揮重大作用。

電解質(zhì)對(duì)電池性能的影響

電解質(zhì)通過促進(jìn)離子在充電時(shí)從陰極到陽極的移動(dòng)以及在放電時(shí)反向的移動(dòng)，充當(dāng)使電池導(dǎo)電的催化劑。離子是失去或獲得電子的帶電原子。電池的電解質(zhì)由液體，膠凝和干燥形式的可溶性鹽，酸或其他堿組成。電解質(zhì)也來自聚合物，如固態(tài)電池，固態(tài)陶瓷和熔融鹽（如鈉硫電池）中使用的聚合物。

鉛酸電池

鉛酸鉛酸電池使用硫酸作為電解質(zhì)。充電時(shí)，隨著正極板上形成氧化鉛（PbO2），酸變得更濃，然后在完全放電時(shí)變成幾乎水。用比重計(jì)測(cè)量硫酸的比重。（另請(qǐng)參閱BU-903：如何測(cè)量荷電狀態(tài)）。鉛酸電池有溢流和密封形式，也稱為閥控鉛酸（VRLA）或免維護(hù)。

硫酸是無色的，略帶黃綠色，可溶于水，具有強(qiáng)腐蝕性。陽極腐蝕或水進(jìn)入電池組后會(huì)生銹，從而導(dǎo)致顏色偏黃。

鉛酸電池具有不同的比重（SG）。深循環(huán)電池使用的SG高達(dá)1.330的致密電解質(zhì)來實(shí)現(xiàn)高比能量，入門電池的平均SG約為1.265，而固定電池的SG較低，約為1.225，以緩和腐蝕并延長(zhǎng)使用壽命。（請(qǐng)參閱BU-903：如何測(cè)量荷電狀態(tài)。）。

鎳鎘電池（NiCd）

NiCd中的電解質(zhì)是堿性電解質(zhì)（氫氧化鉀）。大多數(shù)NiCd電池是圓柱形的，其中將正極和負(fù)極的多層材料纏繞成果凍卷。NiCd的淹沒版本用作商用飛機(jī)和在需要頻繁循環(huán)的冷熱氣候下運(yùn)行的UPS系統(tǒng)中的船用電池。NiCd比鉛酸貴，但使用壽命更長(zhǎng)。

鎳氫電池（NiMH）

NiMH使用與NiCd相同或相似的電解質(zhì)，通常是氫氧化鉀。NiMH電極非常獨(dú)特，由鎳，鈷，錳，鋁和稀土金屬組成，這些金屬也用于鋰離子中。NiMH僅提供密封版本。

氫氧化鉀是一種化學(xué)式為KOH的無機(jī)化合物，通常稱為苛性鉀。電解質(zhì)是無色的，具有許多工業(yè)應(yīng)用，例如大多數(shù)軟肥皂和液體肥皂中的成分。食入KOH是有害的。

鋰離子（Li-ion）

鋰離子電池使用液體，凝膠或干聚合物電解質(zhì)。液體形式是易燃的有機(jī)形式，而不是水性形式，是鋰鹽與類似于碳酸亞乙酯的有機(jī)溶劑形成的溶液。將溶液與各種碳酸鹽混合可提供更高的電導(dǎo)率并擴(kuò)大溫度范圍。可以添加其他鹽以減少放氣并改善高溫循環(huán)。

帶有膠凝電解質(zhì)的鋰離子接受許多添加劑以增加電導(dǎo)率，鋰聚合物電池也是如此。真正的干聚合物僅在高溫下才具有導(dǎo)電性，該電池已不再用于商業(yè)用途。還添加了添加劑以達(dá)到長(zhǎng)壽和獨(dú)特的特性。

電解質(zhì)應(yīng)該穩(wěn)定，但是鋰離子卻不是這種情況。鈍化膜在陽極上形成，稱為固體電解質(zhì)界面（SEI）。該層將陽極與陰極分隔開，但允許離子像隔板一樣穿過。本質(zhì)上，必須形成SEI層才能使電池正常工作。薄膜可穩(wěn)定系統(tǒng)并延長(zhǎng)鋰離子電池的使用壽命，但這會(huì)導(dǎo)致容量降低。電解質(zhì)氧化也會(huì)發(fā)生在陰極上，從而永久降低容量。

為了防止膜變得過于嚴(yán)格，將添加劑與在形成SEI層期間消耗的電解質(zhì)混合。

眾所周知的添加劑是碳酸亞乙烯酯（VC）。這種化學(xué)物質(zhì)延長(zhǎng)了鋰離子的循環(huán)壽命，尤其是在較高溫度下，并且隨著使用時(shí)間和使用年限的延長(zhǎng)，其內(nèi)阻也保持較低。VC還可以在陽極上保持穩(wěn)定的SEI膜，而在陰極上沒有電解質(zhì)氧化的不利副作用（Aurbach等）。據(jù)說，學(xué)術(shù)界和研究界在添加劑的知識(shí)和選擇方面都落后于電池制造商，因此這是一個(gè)很大的秘密。

對(duì)于大多數(shù)商用鋰離子電池，SEI層會(huì)在75-90°C（167-194°F）的電池溫度下分解。電池的類型和充電狀態(tài)（SoC）會(huì)影響高溫下的擊穿。如果未正確冷卻，可能會(huì)發(fā)生自熱行為，從而導(dǎo)致熱失控。在18650個(gè)電池上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，這種熱事件可能需要兩天的時(shí)間才能形成。

鋰離子電解質(zhì)的可燃性是進(jìn)一步關(guān)注的問題，并且已經(jīng)進(jìn)行了通過添加劑或開發(fā)非有機(jī)離子液體來生產(chǎn)不可燃或還原性可燃電解質(zhì)的實(shí)驗(yàn)。還進(jìn)行了研究以在低溫下操作鋰離子電池。在撰寫本文時(shí)，這些電解質(zhì)均未廣泛用于商業(yè)用途。

干燥或緩慢地將液態(tài)電解質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)是另一個(gè)老化事件，它降低了鋰離子的性能。“當(dāng)液體耗盡時(shí)，電池就沒電了，”鋰離子電池專家兼物理學(xué)教授JeffDahn說。電解質(zhì)的流動(dòng)性是與所有電池化學(xué)性質(zhì)有關(guān)的另一種健康狀態(tài)指標(biāo)。