高电压离子液体电解质用于锂离子电池的研究

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锂离子电池(LIBs)由于其高能量密度、高倍率性能和长使用寿命的优点,已经被广泛用作便携式电子设备的电源。近年来,对高能量密度LIBs的需求不断增长。在众多策略中,提高正极的工作电压是最有效的方法之一。目前,由于LiNi0.5Mn1.5O4(LNMO)具有高可逆容量、高安全性和高工作电压平台(4.7 V)等优点,已经成为研究最广泛的商业正极材料。然而,由锂盐(Li PF6)和碳酸酯有机溶剂组成的商用电解质在高压情况下容易氧化分解,这将导致正极表面上形成不稳定的固体/电解质界面(SEI)膜。此外,Li PF6盐易水解,其水解产物HF将进一步腐蚀LNMO正极材料。因此,开发在高压下稳定的电解质已经成为了研究热点。离子液体因其具有电化学窗口宽、热稳定性好、蒸气压低等特性可作为添加剂应用于电解质中。根据以上思路,本工作设计了含离子液体的电解质。主要研究内容如下:(1)引入对正极材料具有保护作用的腈基(-CN),合成腈基离子液体N-丁腈-N-甲基哌啶双(氟磺酰基)酰亚胺(PP1,CNFSI)。PP1,CNFSI用作添加剂,将其添加到有机碳酸乙烯酯(EC),碳酸二甲酯(DMC)和锂盐(LIPF6)中,制备适用于LNMO/Li电池的混合电解质。实验表明,PP1,CNFSI的添加不仅抑制了过充电现象,还提高了放电容量,从而提高了容量保持能力。在0.2 C下,与具有空白电解质的电池相比,电解质中添加15 wt.%PP1,CNFSI的容量保持率从82.8%提高到96.5%。(2)合成了含有醚基的新型离子液体N-醚基-N-甲基哌啶二氟草酸硼酸盐(PP1,CODFOB),将其作为添加剂按15 wt.%、20 wt.%、25 wt.%、30 wt.%加入空白电解质。实验表明,添加25 wt.%PP1,CODFOB的LNMO/Li电池具有优异的电化学性能。0.2 C下循环50次后,电池放电比容量和容量保持率达到132.28 m Ah·g-1和97.8%。(3)将含有PP1,CODFOB的电解质进一步应用到Li/C电池中,探讨电解质与石墨负极的相容性。结果表明,添加PP1,CODFOB的Li/C电池表现出良好的电化学性能。在0.2 C下循环50次后,添加25 wt.%PP1,CODFOB的电池容量保持率提高到96%,远高于空白电解质。通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)发现在石墨负极形成稳定SEI膜。综上所述,含离子液体电解质的LNMO/Li电池的循环性能和倍率性能都有明显提高。通过SEM和TEM测试,进一步研究了离子液体对LNMO正极表面的影响。结果表明,LNMO正极材料表面可形成一层稳定且均匀的SEI膜,保护正极材料的结构。此项工作为高压锂离子电池电解质的研发提供参考。
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