高电压锂离子电池电极电解液界面膜构筑及性能研究

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21世纪以来,电动汽车的快速发展对锂离子电池能量密度的要求日益增加。目前,锂离子电池在现有材料的基础上,达到工艺极限情况下依然很难满足国家的战略要求(质量能量密度为300 Wh kg-1)。传统正极材料比容量较低,是限制电池的能量密度提升的关键因素之一。这就需要研究开发更高比容量的正极材料。目前具有较好发展前景的正极材料LiNi0.5Mn1.5O4,xLi2MnO3·(1-x)LiMO2(M=Ni,Co,Mn)等,这些都是高电压材料(上限电压在4.5 V以上),只有电压达到4.5 V以上,才能充分发挥较高的比容量。然而,常用的商业电解液在高电压下会发生剧烈的氧化分解,导致其循环性能很差。科学工作者虽然进行了广泛的研究,尝试多种方法来解决这一问题,但是效果依然不理想。所以寻找耐氧化的电解液来匹配高电压正极材料依然是研究的热点之一。本论文利用功能性成膜添加剂构筑高稳定性电极/电解液界面。加入的成膜添加剂会在电池化成的过程中先于电解液氧化(正极)或还原(负极),在电极上形成一层惰性保护膜,隔离电解液和电极,有效控制电池的阻抗,提升循环性能。具体研究内容如下:1)原位构建高电压锂离子电池用有机无机复合界面膜本文首先研究了含Ti化合物四(三甲基硅基)钛酸酯作为电解液成膜添加剂对Li1.17Ni0.25Mn0.58O2/Gr全电池循环稳定性的影响。采用SEM,TEM,TOF-SIMS等手段相结合对SEI膜进行了表征,发现在电极表面形成了富含(CH33Si-O-R和TiO2、TiF4等的有机无机复合的界面膜,保护正极的同时可以抑制电解液的分解,有效提升了电池常温和高温的循环稳定性。2)硼添加剂有效调控5 V锂金属电池电极电解液界面选用三(五氟苯基)硼作为电解液添加剂,研究了LiNi0.5Mn1.5O4/Li电池体系的循环稳定性。电化学和物理表征方法对正负极界面的表征,证实,这种化合物能在正极和负极表面同时构筑界面膜,电解液氧化和锂枝晶的问题得到有效解决,显著提升了高电压锂金属电池的循环稳定性。3)成膜添加剂稳定性对电解液化学及电化学性能的影响常用的电解液成膜添加剂通常易于氧化或者易于分解,其在电解液储存过程中的稳定性对电池性能的影响令人担忧。1,1,1,3,3,3-六氟异丙醇磷酸酯(HFiP)是一种效果较好的成膜添加剂,但是其稳定性较差,容易分解,直接影响了其实际应用。本论文对含有HFiP的电解液稳定性进行了系统研究发现其在贮存过程中的分解不仅能有效降低电解液中的水酸含量,水解产物还能在电极表面有效成膜。贮存后的电解液仍然可以有效提升电池的稳定性能,为该类添加剂的应用提供一定的理论依据。
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