氟代碳酸乙烯酯(FEC)及甲基二磺酸亚甲酯(MMDS)电解液添加剂研究

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锂离子电池是近年来电化学能源领域的研究热点,锂离子电池电解液提供锂离子穿梭于正负极之间,是锂离子电池获得高电压、高比能量以及高比功率的重要前提条件,也对电池的其他性能(如高低温及其安全性能)等起着关键作用,因此研发功能电解液是开发高性能锂离子电池时需要考虑的重要课题。功能电解液主要包括基础电解液(基础溶剂及其电解质)与添加剂两种组分,添加剂由于其只要在基础电解液中进行少量的添加就能做为功能电解液进而有效改善锂离子电池电化学性能,且不需要改变锂离子电池的结构和工艺的特点,成为功能电解液研究的热点之一。  本论文选择了两种电解液添加剂氟代碳酸乙烯酯(FEC)和甲基二磺酸亚甲酯(MMDS)来分别研究添加剂对负极/电解液界面和正极/电解液界面的改善作用。通过电导率测试、交流阻抗、循环伏安测试、充放电测试、软包电池低温测试、软包电池高温循环测试、软包电池三电极测试以及SEM、EDS表征等一系列实验方法,论文工作的主要结论如下:  通过磷酸铁锂/石墨全电池研究了电解液添加剂氟代乙烯碳酸酯(FEC)对电池低温性能的影响。电池充放电实验证明,FEC添加剂能够在负极表面形成良好的固体电解质界面层(SEI)。低温放电实验表明,在电解液中添加5%FEC后,电池-40℃放电容量保持率可以从31.7%提高到43.7%,并且提高放电平台电位。交流阻抗测试结果表明,FEC的加入能够有效降低电池的界面传荷阻抗(Rct)。三电极结果表明,FEC对电池低温性能的影响主要是降低了碳负极在低温下的极化。因此,FEC作为磷酸铁锂电池电解液添加剂,虽不能改变电解液在低温下的电导率,但因为其还原产物能够在负极表面形成良好的SEI膜,有效降低电池在低温下的界面传荷阻抗,从而减小低温负极极化,改善磷酸铁锂电池的低温放电性能。  通过锰酸锂/石墨电池研究了添加剂MMDS对电池高温(50℃)循环性能的影响。在常规电解液中加入2%添加剂MMDS,LiMn2O4/石墨软包电池的高温循环性能显著提高。扣式电池首次充放电dQ/dV曲线和对经过首次循环的极片进行能谱分析(EDS)测试结果表明,MMDS在正极和负极都发生了分解。由软包电池三电极的分析结果可知,添加了MMDS后下降的这部分电池容量是可逆的,锂依然具有充放电活性,这部分锂储存在正极中。不含电解液添加剂MMDS的电池,容量衰减的原因主要是循环过程中锂消耗以及正极锰酸锂材料结构破坏。添加了MMDS的电池,容量衰减的原因主要为循环过程中锂消耗。电解液添加剂MMDS能够对LiMn2O4起到部分保护作用,从而提高电池50℃循环容量保持率。
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