锂离子电池用环三磷腈阻燃剂电解液的性能研究

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安全问题已经成为制约锂离子电池向高比能量发展的一个重要因素。电解液成分中的有机碳酸酯溶剂极易燃烧,因此提高电解液的热稳定性尤为重要。已有研究表明在电解液中添加少量阻燃剂可以抑制其燃烧,提高电池整体的安全性。本文以乙氧基(五氟)环三磷腈(PFPN)阻燃剂为研究对象,通过自熄时间、氧指数和自蔓延速率测试法来研究PFPN的阻燃性能;采用恒流充放电、循环伏安等电化学测试探究阻燃剂对电解液的性能和正极LiCoO2层状材料、负极石墨材料的影响;通过交流阻抗测试研究电极材料的界面性质;采用扫描电镜对电极表面形貌进行表征。燃烧测试表明,随着PFPN含量的增加,电解液的耐燃性也增加,加入3 vol.%PFPN的电解液点燃后火焰已无法传布,加入5 vol.%PFPN的电解液已经无法燃烧。PFPN有高阻燃效率的原因是其中含有的P、N、F元素均为阻燃元素,具有阻燃协同效应,少量PFPN即可抑制电解液燃烧,从而降低电池燃烧的风险。电化学测试结果表明PFPN与LiCoO2材料有良好的兼容性。在循环测试中发现PFPN阻燃剂中的氟元素可以减弱分子间的作用力,使分子和离子可以在电解液中更加快速移动,提高电解液中的离子导电率,对电池的容量提升有一定的帮助。通过扫描电镜观察LiCoO2极片循环后的表面形貌,发现添加阻燃剂的极片表面生成了致密的钝化膜,均匀覆盖在电极表面,说明PFPN可以帮助形成良好SEI膜。低温性能测试发现PFPN在低温环境下也有利于电池内部的电荷转移,有效改善了电池的低温性能。对石墨负极材料的电化学性能测试结果表明PFPN与石墨材料有良好的兼容性。在循环测试中发现添加PFPN后石墨的比容量可提高6%。说明PFPN可以减少SEI膜的厚度,从而降低SEI膜阻抗,并且提高电解液的导电率,减小电荷转移阻抗。在高倍率测试下,添加PFPN的电池放电比容量也有所提升。综上所述,阻燃剂PFPN的加入提高了电解液热稳定性,与电池正负极材料兼容性良好,对锂离子电池的电化学性能无负面影响,并且提升了电池的低温性能,可以作为添加剂用于锂离子电池商业生产。
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