锂离子电池三元正极材料自放电机理及电解液添加剂的抑制作用

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锂离子电池具有比能量高,循环寿命长,环境友好等优点,已被广泛应用于移动电子产品、动力汽车等领域。为了发展更高能量密度的锂离子电池,需要发展高电压正极材料。镍钴锰三元层状正极材料与传统的钴酸锂正极材料相比,具有比容量高、成本低等优点。三元正极材料与其他高电压材料一样,存在自放电现象,但相关的机理及解决办法很少报道。本论文探讨了三元正极材料在高电压下满电储存的自放电机理,提出了应用电解液添加剂抑制自放电的解决办法。得到如下结果:  在第三章中,比较研究了三元正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2在4.2V和4.5V下储存时的自放电现象,阐明了LiNi1/3CO1/3Mn1/3O2在高电压下的自放电机理。LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2充电至高电压4.5V储存8天后,电压最终降至1.0V,说明电极发生严重的自放电;而常压4.2V储存时电极电压无明显变化。SEM、TEM和XRD等物理表征方法的结果表明,正极自放电是由于满电态的电极和电解液的相互作用引起的,主要包括正极的嵌锂过程和电解液的氧化分解过程。这两个过程同时进行且不受电压限制,还会促使电极材料中过渡金属的溶解,破坏晶体结构。因此,抑制满电态正极的自放电对于高电压锂离子电池的应用很有必要。  在第四章中,研究了三(三甲基硅基)磷酸酯(TMSP)对LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2在高电压储存时的自放电的影响和作用机理。电化学测试和物理表征表明,在电解液中添加1% TMSP能有效抑制LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料在4.5V储存时的自放电。TMSP在首次充电时优先于电解液在LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2上氧化形成正极界面膜。该界面膜能在所研究的电压范围内抑制LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2和电解液相互作用,抑制电解液持续的分解,保护材料结构免于破坏,从而有效抑制材料的自放电。  在第五章中,研究了三(三甲基硅烷)硼酸酯(TMSB)抑制LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2在高电压储存时的自放电及其作用机理。实验结果表明,LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极在高电压储存时发生严重的自放电,使电极材料结构崩塌;在电解液中添加1%TMSB能有效抑制材料的自放电。通过对自放电前后的电池极片进行表征,表明TMSB优先于电解液发生电化学氧化参与固体电解质界面(SEI)膜的形成。这个SEI膜能阻碍在高电压储存时正极和电解液的直接接触和化学反应,并有效地抑制高电压储存时LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的自放电。
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