锂金属电池电解液润湿性研究

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随着电动汽车、智能电网、移动基站等大型设备的兴起,传统的锂离子电池存在着比容量严重不足的问题,高容量的锂金属负极又回归到人们的研究视野。但是锂金属负极的商业化应用首先要解决锂枝晶问题。电解液的润湿性对电池的性能和锂金属沉积形貌及锂枝晶都有着很大的影响,本论文主要从电解液和隔膜两个方面对电解液的润湿性展开研究,考察了隔膜种类对润湿性的影响,开发了2,2,3,3-四氟丙基甲基丙烯酸酯和癸酸甲酯这两种能够显著提高电解液润湿性的添加剂,最后研究了电解液润湿性对锂枝晶的影响。本文首先研究了隔膜厚度对电解液润湿性的影响,考察了12μm、16μm、25μm等不同厚度的聚乙烯隔膜对于电解液吸液率的不同,发现由于工艺的差别,较薄的隔膜具有较大和较多的微孔,其吸液率可以达到45%,而25μm隔膜的吸液率仅有28%。随后研究了隔膜表面涂覆多孔材料对电解液润湿性的影响,发现表面涂覆多孔材料Al2O3后,电解液在隔膜上的润湿性明显变好,接触角从原来的48°左右降至了30°左右。采用添加润湿性添加剂增大电解液的润湿性,利用接触角测量法筛选出了2,2,3,3-四氟丙基甲基丙烯酸酯(2,2,3,3-Tetrafluoropropyl methacrylate,TFPMA)和癸酸甲酯(Methyl decanoate,MD)这两种电解液润湿性的添加剂,分析了其作用原理。实验结果表明:TFPMA和MD分别在在添加量为1%和3%时电解液润湿性的提高效果最好,使电解液与隔膜间的接触角从53.5°降至了44°和36°,隔膜与电解液整体的内阻从6.153Ω降至了1.943Ω和1.772Ω,Li-Li Fe PO4电池在5 C下的比容量从66 m Ah g-1提高到了80 m Ah g-1和95 m Ah g-1,并且使电池在循环过程中更加稳定。研究了电解液润湿性对锂金属负极形貌的影响。在采用了表面涂覆隔膜的电池中,润湿性的提高促进了电解液在隔膜中的浸润,恒电流沉积后的锂金属电极表面有着更均匀的沉积形貌。随后在Li-Cu电池体系中考察了电解液添加剂TFPMA和MD对于锂金属负极的稳定作用和锂枝晶的抑制,发现添加了添加剂的电池体系,锂金属沉积形态都有了很大的改观,锂枝晶得到了很好地抑制。随后将隔膜表面涂覆和添加电解液润湿性两种手段结合,得到了最佳的抑制锂枝晶的效果。分析了添加剂抑制锂枝晶的一般机理,采用了EDS和XPS等分析方法研究了TFPMA和MD抑制锂枝晶的多重机理。
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