電解液添加劑為新能源發展助力

  鋰離子電池由于具有自放電率低、循環性能好、無記憶效應、無污染等優良特性,成為新能源研究熱點之一,但電解液消耗量大卻制約了鋰離子電池的性能和穩定性。近日,南京工業大學管國鋒教授團隊的一項研究解決了上述問題,他們與蘇州華一新能源科技有限公司共同研發制備了超高純度高端鋰電池電解液,增加了鋰離子電池的能量密度和使用壽命,為新能源發展助力。 

  聚焦產業前沿 加技術升級馬力 

  隨著全球氣候惡化及化石能源的逐漸短缺,新能源成為關注的焦點。據悉,隨著鋰電池在電動汽車、儲能等領域的應用快速增長,我國鋰電池產量逐年增長,并保持25%以上的增速,位居全球第一。 

  在鋰離子電池性能和穩定性方面,電解液居于中心位置,它對電池的比容量、工作溫度范圍、循環效率及安全性能等至關重要。在電池首次充電過程中,電解液在碳負極表面發生還原、分解反應,并生成一層覆蓋于電極表面的固體電解質界面(SEI)膜,SEI膜的性質在很大程度上決定電池的電化學性能。在鋰離子電池有機電解液中加入少量成膜添加劑,能夠優先在碳負極上還原分解形成性能優良的SEI膜,有效抑制溶劑分子在電極表面的持續分解,從而改善碳負極性能。 

  管國鋒介紹:“碳酸亞乙烯酯是電解液中必須加入的成膜添加劑,能使溶劑分子優先在負極表面形成致密的SEI膜,隨著碳酸亞乙烯酯純度的增加,形成的SEI膜致密性增加,溶劑消耗量降低,從而增加鋰離子電池的能量密度和使用壽命?!?nbsp;

  基于此,管國鋒團隊和蘇州華一新能源科技有限公司將研發聚焦于高端鋰電池電解液對碳酸亞乙烯酯純度的需求,共同將超高純度碳酸亞乙烯酯作為研究對象,進行了脫氯反應工藝和分離工藝的優化等方面的研究,實現了超高純度碳酸亞乙烯酯的產業化制備,為新能源領域的創新與產業的協同發展助一臂之力。 

  突破行業瓶頸 添創新優化動力 

  目前,碳酸亞乙烯酯生產主要采用的是氯代碳酸乙烯酯脫氯反應和多步精餾分離組合工藝,在脫氯反應過程中,碳酸亞乙烯酯收率只有59%,產品收率低?!拔覀兺瑫r優化了反應器和反應工藝?!惫車h介紹。該團隊根據氯代碳酸乙烯酯脫氯反應體系的動力學特性和設備的傳遞特性,考察和分析了反應器的能量、熱量平衡及反應器溫度的波動幅度和最大的熱負荷情況,研究了反應器中傳熱、傳質規律,對脫氯反應器進行了優化設計。在優化設計的反應器基礎上,確定了氯代碳酸乙烯酯脫氯反應較優的工藝條件。團隊通過脫氯反應器和反應工藝的優化,使碳酸亞乙烯酯收率比現有工藝技術提高了60%。 

  另一個卡脖子問題是碳酸亞乙烯酯提純。目前,科學界對碳酸亞乙烯酯的提純能達到99.9%,但即便是微量雜質也會降低SEI膜的致密性,影響電池能量儲存密度和充放電效率。小數點后每進一位都是巨大的挑戰,更是突破性的成果。團隊通過研究不同工藝與分離性能的構效關系,揭示了流程結構、工藝參數等與產品性能、操作性能、經濟性能之間的關系,開發了高效精餾—熔融結晶集成強化工藝,采用高效精餾技術替代普通精餾技術,熔融結晶技術替代冰凍結晶技術,提高了分離效率和產品品質,碳酸亞乙烯酯的純度由99.9%提高到99.99%。 

  超高純度碳酸亞乙烯酯還需要強大的穩定貯存技術,否則其與空氣接觸易發生自聚反應,僅能穩定貯存1個月。為此,團隊又開發了超高純度碳酸亞乙烯酯穩定貯存技術,灌裝時采用特制的不銹鋼管,并用高純氬氣保護,貯存過程中采用0.03~0.08MPa的高純氬氣保護,使產品的穩定貯存周期提高了6倍,達到180天。 

  江蘇省經濟和信息化委員會鑒定認為,高端鋰電池電解液用超高純度碳酸亞乙烯酯制備技術研究與應用項目整體技術水平已達到國際先進水平,填補了國內空白。 

  推進成果落地 創社會經濟效益 

  據管國鋒介紹,截至目前,該項目共獲得授權專利10項,其中授權發明專利9項。相關成果已在蘇州華一新能源科技有限公司成功應用,該公司建成了1000噸/年超高純度碳酸亞乙烯酯工業化裝置,碳酸亞乙烯酯產品純度≥99.99%,能耗降低35%,增加經濟效益3000萬元/年,形成了具有自主知識產權的生產工藝和裝置,解決了高端電解液添加劑生產的卡脖子問題。 

  韓國LG化學有限公司、日本三菱化學公司、惠州比亞迪實業有限公司、張家港市國泰華榮化工新材料有限公司等國內外知名公司已成為項目的客戶。該項目的相關產品,提升鋰電池儲能密度達9%~12%,提升充放電效率達7%~10%。項目的實施促進了新能源產業的技術升級,推動了我國鋰離子電池電解液領域技術進步,降低了國外產品在高端鋰離子電池領域的占有率,實現了對進口產品的有效替代,具有顯著的社會和經濟效益。(中國化工報 供稿  作者 朱琳)


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