精確測量鋰電池電解液的粘度

2020-07-02

介紹

電解液是鋰離子電池四大關鍵材料（正極、負極、隔膜、電解液）之一，號稱鋰電池的血液，在電池中正負極之間起到傳導電子的作用，是鋰離子電池獲得高電壓、高比能等優點的保證。

而離子電導率正是高性能電解液重要的指標，影響電解液離子電導率的三個影響因素有：鋰鹽的解離能力，電解液的溶劑化能力，體系的粘度。

有機電解液的基本成分包括鋰鹽（提供載流子：Li+）、有機溶劑（解離鋰鹽、提供Li+傳輸介質）、添加劑（少量使用、改善性能）。其中常用的有機溶劑有碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸甲乙酯（EMC）等。由于不同的混合比例或者配方成分導致電解液粘度不同。

鑒于Fluidicam可以jingque測量低粘度電解液的粘度差異，本文利用Fluidicam測量了不同比例有機溶劑的電解液粘度，以期提高電解液的離子電導率，為電池研發者提供設計思路。

方法

儀器：法國Formulaction公司 Fluidicam微流控可視流變儀

EMC: 碳酸甲乙酯

DMC: 碳酸二甲酯

EC: 碳酸乙烯酯

LiClO4: 高氯酸鋰

測量純溶劑在不同比例時（EMC:DMC:EC）的粘度差異。然后，研究了EC和鋰鹽濃度對電解液粘度的影響。

結果與討論

不同成分有機溶劑的粘度：

圖1 不同成分有機溶劑的粘度-溫度曲線

兩種不同成分的有機溶劑隨溫度增加粘度均有明顯的下降，其中含有EC的有機溶劑粘度較大，但是隨溫度的增加粘度下降的較快。

表1 不同成分有機溶劑的粘度數據表

兩種成分有機溶劑的粘度在25℃下具有明顯的差異：加入EC的有機溶劑粘度為1.021±0.004mPa·s，與水的粘度接近，而不含有EC的有機溶劑粘度僅為0.614±0.004mPa·s。

EC濃度對粘度的影響：

圖2 電解液粘度隨EC濃度變化曲線

表2 電解液粘度隨EC濃度變化數據表

結果顯示，隨著EC濃度逐漸粘度逐漸增大，較高的EC濃度可能會抑制電解液的離子電導率，降低電池性能。

鋰鹽濃度對電解液粘度的影響：

圖3 電解液粘度隨高氯酸鉀濃度變化曲線

表3 電解液粘度隨高氯酸鉀濃度變化數據表

離子電導率與鋰鹽濃度成正比，與電解質的粘度成反比（電解質的斯托克斯定律電導率），所以配方工作者需要在兩者中找到合適的平衡點。以上所有測量的總分析時間為1小時20分鐘（17次試驗），包括取樣。微流控可視流變儀*避免了揮發和干燥風險，突破了傳統粘度計由于的粘度精度局限性和測量速度。Fluidicam這種高效測量工具，是配方工作者*的研究助手。

微流控可視流變儀FLUIDICAM

Fluidicam微流控可視流變儀被設計用于測試各種稠度樣品的粘度，包括液體、凝膠或半固體乳液。當樣品和參比樣在芯片通道中高速流動時，獲取微型芯片中兩相不相容液體的界面位置，從而計算被測樣品的剪切速率和粘度。芯片上狹窄的通道，賦予儀器高的剪切速率范圍、樣品體積量小，溫度調節迅速的優點。