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[中国化工报]“科技奖 看江苏”之四:电解液添加剂助力新能源发展

锂离子电池由于具有自放电率低、循环性能好、无记忆效应、无污染等优良特性,成为新能源研究热点之一,但电解液消耗量大却制约了锂离子电池的性能和稳定性。近日,永利国际学管国锋教授团队的一项研究解决了上述问题,他们与苏州华一新能源科技有限公司共同研发制备了超高纯度高端锂电池电解液,增加了锂离子电池的能量密度和使用寿命,为新能源发展助力。

聚焦产业前沿

加技术升级马力

随着全球气候恶化及化石能源的逐渐短缺,新能源成为关注的焦点。据悉,随着锂电池在电动汽车、储能等领域的应用快速增长,我国锂电池产量逐年增长,并保持25%以上的增速,位居全球第一。

在锂离子电池性能和稳定性方面,电解液居于中心位置,它对电池的比容量、工作温度范围、循环效率及安全性能等至关重要。在电池首次充电过程中,电解液在碳负极表面发生还原、分解反应,并生成一层覆盖于电极表面的固体电解质界面(SEI)膜,SEI膜的性质在很大程度上决定电池的电化学性能。在锂离子电池有机电解液中加入少量成膜添加剂,能够优先在碳负极上还原分解形成性能优良的SEI膜,有效抑制溶剂分子在电极表面的持续分解,从而改善碳负极性能。

管国锋介绍:“碳酸亚乙烯酯是电解液中必须加入的成膜添加剂,能使溶剂分子优先在负极表面形成致密的SEI膜,随着碳酸亚乙烯酯纯度的增加,形成的SEI膜致密性增加,溶剂消耗量降低,从而增加锂离子电池的能量密度和使用寿命。”

基于此,管国锋团队和苏州华一新能源科技有限公司将研发聚焦于高端锂电池电解液对碳酸亚乙烯酯纯度的需求,共同将超高纯度碳酸亚乙烯酯作为研究对象,进行了脱氯反应工艺和分离工艺的优化等方面的研究,实现了超高纯度碳酸亚乙烯酯的产业化制备,为新能源领域的创新与产业的协同发展助一臂之力。

突破行业瓶颈

添创新优化动力

目前,碳酸亚乙烯酯生产主要采用的是氯代碳酸乙烯酯脱氯反应和多步精馏分离组合工艺,在脱氯反应过程中,碳酸亚乙烯酯收率只有59%,产品收率低。“我们同时优化了反应器和反应工艺。”管国锋介绍。该团队根据氯代碳酸乙烯酯脱氯反应体系的动力学特性和设备的传递特性,考察和分析了反应器的能量、热量平衡及反应器温度的波动幅度和最大的热负荷情况,研究了反应器中传热、传质规律,对脱氯反应器进行了优化设计。在优化设计的反应器基础上,确定了氯代碳酸乙烯酯脱氯反应较优的工艺条件。团队通过脱氯反应器和反应工艺的优化,使碳酸亚乙烯酯收率比现有工艺技术提高了60%。

另一个卡脖子问题是碳酸亚乙烯酯提纯。目前,科学界对碳酸亚乙烯酯的提纯能达到99.9%,但即便是微量杂质也会降低SEI膜的致密性,影响电池能量储存密度和充放电效率。小数点后每进一位都是巨大的挑战,更是突破性的成果。团队通过研究不同工艺与分离性能的构效关系,揭示了流程结构、工艺参数等与产品性能、操作性能、经济性能之间的关系,开发了高效精馏—熔融结晶集成强化工艺,采用高效精馏技术替代普通精馏技术,熔融结晶技术替代冰冻结晶技术,提高了分离效率和产品品质,碳酸亚乙烯酯的纯度由99.9%提高到99.99%。

超高纯度碳酸亚乙烯酯还需要强大的稳定贮存技术,否则其与空气接触易发生自聚反应,仅能稳定贮存1个月。为此,团队又开发了超高纯度碳酸亚乙烯酯稳定贮存技术,灌装时采用特制的不锈钢管,并用高纯氩气保护,贮存过程中采用0.03~0.08MPa的高纯氩气保护,使产品的稳定贮存周期提高了6倍,达到180天。

江苏省经济和信息化委员会鉴定认为,高端锂电池电解液用超高纯度碳酸亚乙烯酯制备技术研究与应用项目整体技术水平已达到国际先进水平,填补了国内空白。

推进成果落地

创社会经济效益

据管国锋介绍,截至目前,该项目共获得授权专利10项,其中授权发明专利9项。相关成果已在苏州华一新能源科技有限公司成功应用,该公司建成了1000吨/年超高纯度碳酸亚乙烯酯工业化装置,碳酸亚乙烯酯产品纯度≥99.99%,能耗降低35%,增加经济效益3000万元/年,形成了具有自主知识产权的生产工艺和装置,解决了高端电解液添加剂生产的卡脖子问题。

韩国LG化学有限公司、日本三菱化学公司、惠州比亚迪实业有限公司、张家港市国泰华荣化工新材料有限公司等国内外知名公司已成为项目的客户。该项目的相关产品,提升锂电池储能密度达9%~12%,提升充放电效率达7%~10%。项目的实施促进了新能源产业的技术升级,推动了我国锂离子电池电解液领域技术进步,降低了国外产品在高端锂离子电池领域的占有率,实现了对进口产品的有效替代,具有显著的社会和经济效益。

2020年1月10日《中化新网》:http://www.ccin.com.cn/detail/544ae3ed8ef074aedc16bb5dc004295f/news

2020年1月10日《中国化工报》:http://ipaper.ccin.com.cn/papers/ccin/2020-01-10/page_2B/news_82880f29ef3ae1234ce6fcddcf1bd79f.html

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