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鋰離子電池由于具有自放電率低、循環(huán)性能好、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染等優(yōu)良特性，成為新能源研究熱點(diǎn)之一，但電解液消耗量大卻制約了鋰離子電池的性能和穩(wěn)定性。近日，南京工業(yè)大學(xué)管?chē)?guó)鋒教授團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究解決了上述問(wèn)題，他們與蘇州華一新能源科技有限公司共同研發(fā)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(fā)展助力。

　　聚焦產(chǎn)業(yè)前沿

　　加技術(shù)升級(jí)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(guān)注的焦點(diǎn)。據(jù)悉，隨著鋰電池在電動(dòng)汽車(chē)、儲(chǔ)能等領(lǐng)域的應(yīng)用快速增長(zhǎng)，我國(guó)鋰電池產(chǎn)量逐年增長(zhǎng)，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(wěn)定性方面，電解液居于中心位置，它對(duì)電池的比容量、工作溫度范圍、循環(huán)效率及安全性能等至關(guān)重要。在電池首次充電過(guò)程中，電解液在碳負(fù)極表面發(fā)生還原、分解反應(yīng)，并生成一層覆蓋于電極表面的固體電解質(zhì)界面（SEI）膜，SEI膜的性質(zhì)在很大程度上決定電池的電化學(xué)性能。在鋰離子電池有機(jī)電解液中加入少量成膜添加劑，能夠優(yōu)先在碳負(fù)極上還原分解形成性能優(yōu)良的SEI膜，有效抑制溶劑分子在電極表面的持續(xù)分解，從而改善碳負(fù)極性能。

　　管?chē)?guó)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(yōu)先在負(fù)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。”

　　基于此，管?chē)?guó)鋒團(tuán)隊(duì)和蘇州華一新能源科技有限公司將研發(fā)聚焦于高端鋰電池電解液對(duì)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(duì)象，進(jìn)行了脫氯反應(yīng)工藝和分離工藝的優(yōu)化等方面的研究，實(shí)現(xiàn)了超高純度碳酸亞乙烯酯的產(chǎn)業(yè)化制備，為新能源領(lǐng)域的創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展助一臂之力。

　　突破行業(yè)瓶頸

　　添創(chuàng)新優(yōu)化動(dòng)力

　　目前，碳酸亞乙烯酯生產(chǎn)主要采用的是氯代碳酸乙烯酯脫氯反應(yīng)和多步精餾分離組合工藝，在脫氯反應(yīng)過(guò)程中，碳酸亞乙烯酯收率只有59%，產(chǎn)品收率低。“我們同時(shí)優(yōu)化了反應(yīng)器和反應(yīng)工藝。”管?chē)?guó)鋒介紹。該團(tuán)隊(duì)根據(jù)氯代碳酸乙烯酯脫氯反應(yīng)體系的動(dòng)力學(xué)特性和設(shè)備的傳遞特性，考察和分析了反應(yīng)器的能量、熱量平衡及反應(yīng)器溫度的波動(dòng)幅度和最大的熱負(fù)荷情況，研究了反應(yīng)器中傳熱、傳質(zhì)規(guī)律，對(duì)脫氯反應(yīng)器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)的反應(yīng)器基礎(chǔ)上，確定了氯代碳酸乙烯酯脫氯反應(yīng)較優(yōu)的工藝條件。團(tuán)隊(duì)通過(guò)脫氯反應(yīng)器和反應(yīng)工藝的優(yōu)化，使碳酸亞乙烯酯收率比現(xiàn)有工藝技術(shù)提高了60%.

　　另一個(gè)卡脖子問(wèn)題是碳酸亞乙烯酯提純。目前，科學(xué)界對(duì)碳酸亞乙烯酯的提純能達(dá)到99.9%，但即便是微量雜質(zhì)也會(huì)降低SEI膜的致密性，影響電池能量?jī)?chǔ)存密度和充放電效率。小數(shù)點(diǎn)后每進(jìn)一位都是巨大的挑戰(zhàn)，更是突破性的成果。團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究不同工藝與分離性能的構(gòu)效關(guān)系，揭示了流程結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)等與產(chǎn)品性能、操作性能、經(jīng)濟(jì)性能之間的關(guān)系，開(kāi)發(fā)了高效精餾—熔融結(jié)晶集成強(qiáng)化工藝，采用高效精餾技術(shù)替代普通精餾技術(shù)，熔融結(jié)晶技術(shù)替代冰凍結(jié)晶技術(shù)，提高了分離效率和產(chǎn)品品質(zhì)，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(qiáng)大的穩(wěn)定貯存技術(shù)，否則其與空氣接觸易發(fā)生自聚反應(yīng)，僅能穩(wěn)定貯存1個(gè)月。為此，團(tuán)隊(duì)又開(kāi)發(fā)了超高純度碳酸亞乙烯酯穩(wěn)定貯存技術(shù)，灌裝時(shí)采用特制的不銹鋼管，并用高純氬氣保護(hù)，貯存過(guò)程中采用0.03~0.08MPa的高純氬氣保護(hù)，使產(chǎn)品的穩(wěn)定貯存周期提高了6倍，達(dá)到180天。

　　江蘇省經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)鑒定認(rèn)為，高端鋰電池電解液用超高純度碳酸亞乙烯酯制備技術(shù)研究與應(yīng)用項(xiàng)目整體技術(shù)水平已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。

　　推進(jìn)成果落地

　　創(chuàng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

　　據(jù)管?chē)?guó)鋒介紹，截至目前，該項(xiàng)目共獲得授權(quán)專(zhuān)利10項(xiàng)，其中授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利9項(xiàng)。相關(guān)成果已在蘇州華一新能源科技有限公司成功應(yīng)用，該公司建成了1000噸/年超高純度碳酸亞乙烯酯工業(yè)化裝置，碳酸亞乙烯酯產(chǎn)品純度≥99.99%，能耗降低35%，增加經(jīng)濟(jì)效益3000萬(wàn)元/年，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生產(chǎn)工藝和裝置，解決了高端電解液添加劑生產(chǎn)的卡脖子問(wèn)題。

　　韓國(guó)LG化學(xué)有限公司、日本三菱化學(xué)公司、惠州比亞迪實(shí)業(yè)有限公司、張家港市國(guó)泰華榮化工新材料有限公司等國(guó)內(nèi)外知名公司已成為項(xiàng)目的客戶(hù)。該項(xiàng)目的相關(guān)產(chǎn)品，提升鋰電池儲(chǔ)能密度達(dá)9%~12%，提升充放電效率達(dá)7%~10%.項(xiàng)目的實(shí)施促進(jìn)了新能源產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)，推動(dòng)了我國(guó)鋰離子電池電解液領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步，降低了國(guó)外產(chǎn)品在高端鋰離子電池領(lǐng)域的占有率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品的有效替代，具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。