Grabner蒸汽壓儀在電池電解液中的應用

鋰電池（Lithium battery）是指電化學體系中含有鋰（包括金屬鋰、鋰合金和鋰離子、鋰聚合物）的電池。

鋰離子電池的基本構成包括：正極、負極、電解液、其他配件等等。鋰離子電池由于具有能量密度高、輸出電壓高、循環壽命長、環境污染小等優點，在電子產品、電動汽車、航空航天等領域有著極其重要的應用。

溶劑是溶質和添加劑的載體。溶劑是溶質周圍的微觀環境，它決定溶質的離子化和溶劑化程度。溶劑的性質取決于它的成分和分子結構。溶劑分子相互間的作用力決定著溶劑的粘度、蒸汽壓、凝固點和沸點等。溶劑分子和溶質分子間的作用力又影響溶質的溶解度和溶劑化程度。同時，溶劑又是決定作業電解液運用溫度規模的關鍵因素之一，對電解電容器電功能影響極大。其中，鋰電池電解液的主要溶劑成分如下：

　　1.碳酸乙烯酯：分子式： C₃H₄O₃

　　透明無色液體(>35℃)，室溫時為結晶固體。沸點：248℃/760mmHg ，243-244℃/740mmHg；閃點：160℃；密度：1.3218；折光率：1.4158(50℃)；熔點：35-38℃；本品是聚丙烯腈、聚氯乙烯的良好溶劑。在電池工業上，可作為鋰電池電解液的優良溶劑。

　　2.碳酸丙烯酯 分子式：C₄H₆O₃

是一種優良的極性溶劑。本產品主要用于高分子作業、氣體分離工藝及電化學。

　　3.碳酸二乙酯 分子式：CH₃OCOOCH₃

　　無色液體，稍有氣味；蒸汽壓1.33kPa/23.8℃；閃點25℃（可燃液體能揮發變成蒸汽，跑入空氣中。溫度升高，揮發加快。）熔點-43℃；沸點125.8℃；溶解性：不溶于水，可混溶于醇、酮、酯等多數有機溶劑；密度：相對密度(水=1)1.0；相對密度(空氣=1)4.07；穩定性：穩定；危險標記7(易燃液體)；主要用途：用作溶劑及用于有機合成。

為保證鋰離子電池產品的高溫長壽命，對電解液用的溶劑有如下基本需求：

1. 具有寬的溫度改變規模、高的沸點和低的凝固點。

2. 具有小的飽和蒸汽壓。由于電解液飽和蒸汽壓取決于溶劑的飽和蒸汽壓，而有小的飽和蒸汽壓的電解液，可大大提高電池的壽命。

3. 需求有較低的粘度，且粘度隨溫度改變要平整。由于低粘度，離子的搬遷快，改進了電解電容器的頻率特性；同時低粘度也易浸透入陽極微孔中，使電解電容器的等效串聯電阻削減。

4. 盡可能有較大的電容率和較小的介質損耗。

5. 化學穩定性好，與它相接觸的材料不被腐蝕和不被溶脹。

6. 易于溶解溶質，溶劑一溶質間有極強的溶劑化效應。

7. 無毒或毒性極低，環保型溶劑。

• 電解液蒸汽壓的重要性

近年來關于鋰離子電池引發的火災甚至爆炸的報道己屢見不鮮，主要是由于在電池高溫使用過程中，電解液的蒸汽壓越大，揮發性越大，造成了電池內部壓力過大的結果。因此，鋰離子電池的安全問題引起人們普遍的關注；同時安全問題也是制約鋰離子電池向大型化、高能化方向發展的瓶頸。

• 蒸汽壓測定儀在電解液的生產安全研究方面的應用

在《鋰離子電池電解液的安全性研究進展》文章中從電解液的燃燒性能和電池電極材料的熱穩定性兩個角度，分別介紹了無閃點溶劑和阻燃電解液方面的研究狀況，以及電極材料與電解液之間和電解液自身的熱穩定性的影響因素和改善其熱穩定性的措施。

在通常狀況下，傳統的己二酸銨/乙二醇加水體系工作電解液基礎上，通過調整組分，使電解液的沸點提高，蒸汽壓降低，組合成能滿足要求的優良電解液，適用范圍從-40~+85℃拓寬到-40~+105℃，且不必加入另外的任何添加劑。

在溶劑方面，單用乙二醇已經可以滿足135℃使用要求，但由于使用了氣密性好的丁基膠，選擇乙二醇以及其它多元醇類溶劑混合來降低飽和蒸汽壓，更能有效的防止電容器高溫工作時過早鼓底。

• 蒸汽壓測定儀在軟包裝鋰離子電池研究方面的應用

在中南大學冶金科學與工程學院發表的《軟包裝鋰離子電池有機電解液的電化學行為》一文中制備了軟包裝鋰離子電池，并研究了電解質與四種混合溶劑的電解液組成的鋰離子電池。并測試了電解液的蒸汽壓和電池的高溫貯存性能等。

在文中，作者研究了電解液的電化學特性，以及γ-丁內酯對電解液蒸汽壓的影響。提到軟包裝鋰離子電池在338K的溫度環境下工作時，電池的厚度變化小，電池安全性好。軟包裝鋰離子電池由于所采用的鋁塑復合膜質地柔軟，很小背壓，會導致電池嚴重膨脹。因此，要求電解液在323K以上的溫度環境中具有更低的蒸汽壓。

圖3為電解液1mol/L LiPF6 EC/DMC(質量比1:1)，1mol/L LiPF₆ EC/GBL(質量比4:3)和1mol/L LiPF₆ EC/DMC/GBL (質量比4:4:3)在273~373K溫度范圍內的蒸汽壓。由圖可知，EC/DMC電解液的蒸汽壓值隨著溫度的升高而迅速增大，尤其是當溫度高于313K，蒸汽壓的變化速率非常大。EC/ GBL與EC/DMC/GBL電解液的蒸汽壓的變化較小，說明這兩種電解液受到的溫度影響較小。

圖3 電解液蒸汽壓與溫度的變化關系

a ：1mol/L LiPF₆ EC/DMC(質量比1:1)

b ：1mol/L LiPF₆ EC/GBL(質量比4:3)

            c ：1mol/L LiPF₆ EC/DMC/GBL (質量比4:4:3)

總的來說，做這項實驗研究的主要目的就是研究如何才能讓電解液的蒸汽壓減小，增加電池的使用壽命。

• 蒸汽壓測定儀在電解液的運輸和存儲中的應用

電解液一般都是易燃的有機溶劑，如果其蒸汽壓非常大，很容易就會揮發，那么在存貯或使用過程中會有蒸發散失，同時揮發出的蒸汽和空氣結合，遇到明火后很容易就會發生火災或者是爆炸。所以，國家安監總局印發的關于《化學品物理危險性鑒定與分類管理辦法》及《關于危險貨物運輸的建議書》中對于危化品易燃液體分類包裝存儲運輸明確規定了蒸汽壓測試的必要性。因此，蒸汽壓的測試是非常有必要的。