传统锂电池制造溶剂有毒,这种水溶液能行?

大家好!在这个科技飞速发展的时代,锂电池可以说是无处不在,手机、电脑、电动汽车都离不开它。可您知道吗?锂电池正极的制造过程,正在面临一个大难题。传统制造中用的市售 N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶剂,又有毒又致畸,被列为高度关注物质。现在环保要求越来越严,咱们得找个更好的办法来制造锂电池正极。

* 本文只做阅读笔记分享 *

一、锂电池正极制造的困境与挑战

锂电池正极材料常用的是过渡金属氧化物,能让电池有高容量和高电压。但现在制造这些高能量密度的电池正极,都得用NMP溶剂。这NMP虽然在制造过程中挺好用,可它对环境和我们的健康危害很大。欧盟的法规都对它严格限制了,大家想想,这多让人头疼。也有人提出用干涂法,不用溶剂,可它和现有的生产设备不兼容,没办法马上用起来。所以,找到一种对环境友好,还能和现有生产流程匹配的溶剂,就成了锂电池正极制造的当务之急。

二、神奇的亲液性水溶液解决方案

科学家们想到了一个好办法,就是基于亲液效应做出一种水性加工溶液。这亲液效应在生物化学里常见,但用到电池上还是头一遭。这里面的关键就是亲液性阴离子,它能让离子水合壳重新排列,变成有序的阴离子-水簇,还能调整正极材料旁边的局部水合结构。

三、亲液性水溶液的原理大揭秘

咱们来仔细瞧瞧这个亲液性水溶液是怎么起作用的。不同的离子对水的结构影响不一样,亲液性离子能让水的氢键网络更强。科学家研究了四种锂盐,发现亲液性越强的阴离子,和水分子形成的氢键就越多,相互作用的能量也越大。通过各种测试,像DFT计算、MD模拟、FT-IR光谱分析,都证明了亲液性阴离子能把离子水合壳变成有序的状态。

四、亲液性水溶液的优势尽显

用亲液性水溶液来制造电池正极,好处可太多了!它能减少正极材料和水之间那些不好的反应,像Li⁺浸出、Li⁺/H⁺交换这些问题都能缓解,这样就能保护正极材料的结构,让它更稳定。用亲液性溶液处理过的正极材料,Li⁺浸出少,pH变化小,结构也没怎么被破坏。

用这种溶液做出来的正极,电化学性能也特别棒。能达到很高的比容量和面积容量,循环稳定性和用NMP做出来的正极差不多。而且啊,亲液性溶液的材料成本比NMP低太多了,才是NMP的4%。从经济和环境角度看,它制造过程能耗降低46%,二氧化碳排放大幅减少,初期投资成本降低95%,运营成本也能减少23%,简直是又省钱又环保。

五、总结

该亲液性水性加工溶液可有效缓解水与正极材料间的界面化学反应,制备的正极性能与 NMP 处理的相当。技术经济分析表明其在电极制造方面优势明显,为绿色和碳中和电池制造提供了新途径。

六、一起来做做题吧

1、在锂电池正极制造中,为什么要寻找 N - 甲基 - 2 - 吡咯烷酮(NMP)的替代溶剂?( )

A. NMP 价格昂贵

B. NMP 易燃易爆

C. NMP 具有致畸性和毒性,被列为高度关注物质

D. NMP 不易获取

2、基于亲液效应的水性加工溶液能缓解界面副反应的关键原因是?( )

A. 溶液中含有特殊的阳离子

B. 亲液性阴离子重组离子水合壳,形成有序的阴离子 - 水簇并调节局部水合结构

C. 溶液的浓度适中

D. 溶液的温度控制得当

3、在研究不同锂盐对水结构的影响实验中,通过哪种计算方法来研究阴离子的水化状态?( )

A. 分子动力学模拟

B. 密度泛函理论(DFT)计算

C. 傅里叶变换红外(FT - IR)光谱分析

D. 核磁共振(NMR)分析

4、从经济和环境角度分析,使用亲液性水溶液制造锂电池正极的优势不包括以下哪一项?( )

A. 材料成本比 NMP 低 96%

B. 能减少 46% 的能量消耗

C. 可降低 95% 的二氧化碳排放

D. 初期投资成本降低 95%

5、亲液性溶液处理的阴极在电化学性能方面,与 NMP 处理的阴极相比有什么特点?( )

A. 比容量和面积容量更低

B. 循环稳定性差很多

C. 具有相当的循环稳定性,且能达到较高的比容量和面积容量

D. 首次充电容量更高

参考文献:

Kim, JH., et al. Kosmotropic aqueous processing solution for green lithium battery cathode manufacturing. Nat Commun 16, 1686 (2025).

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