锂离子电池高电压电解液氟代溶剂的研究

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提升锂离子电池(LIBs)的能量密度具有重要的现实意义,它可有效推进电动车辆的应用。正极作为LIBs的重要组成部分,使用高电压正极材料可有效提高LIBs的能量密度。层状Li(NixCoyMn1-x-y) O2(0<x,y<1)是一类高电压正极材料,并具有容量高和循环稳定性好等优点,但传统电解液不能满足该材料在4.5V(vs.Li/Li+)以上电压条件下的使用要求。本论文系统研究了两种氟代溶剂电解液的电化学性能,结果表明他们可提高电解液体系的氧化稳定性,并进而改善三元材料的高电压性能。主要工作及得到的结果与结论如下:  1)优化了添加1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚(F-EPE)溶剂电解液的组成,考察了LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2/石墨电池在3.0-4.5V高电压条件下的电化学性能。结果表明,在EC/DEC体系中,当F-EPE添加量达到20%时,可有效提高电池的循环稳定性。其中,循环100周后,电池容量保持率由不添加含氟溶剂时的12.3%提高到85.0%。从线性伏安扫描(LSV)结果可知,电解液在铂电极上的氧化电位由不含F-EPE的4.7V提高到5.4V;循环伏安扫描(CV)和三电极电池阻抗测试(EIS)等则证实,溶剂中的F-EPE可参与在石墨负极表面形成稳定的SEI膜;结合扫描电子显微镜(SEM)、能谱扫描(EDS)和透射电镜扫描(TEM)等表征手段,进一步表明F-EPE通过提高混合电解液在正极表面的氧化稳定性,减少电解液在正极表面的氧化分解,使得由不含氟代溶剂电池正极界面膜厚度的13-15nm降低到1-3nm;同时将负极界面膜氟F组分从不含F-EPE电池3.36%提高到12.73%,有效改善负极SEI膜的稳定性,从而提高LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2/石墨电池在3.0-4.5V下高电压特性。  2)把1,1,2,2-四氟乙基-1H,1H,5H-八氟戊基醚(F-EAE)作为电解液共溶剂,提高了LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2/石墨电池在3.0-4.5V高电压条件下的循环稳定性。结果表明,在EC/DEC体系中,当F-EPE添加量达到40%时,可有效提高电池的循环稳定性。其中,循环100周后,电池容量保持率由不添加F-EAE时的28.8%提高到86.8%。从LSV扫描结果可知,电解液在铂电极上的氧化电位提高到5.2V;CV、三电极软包电池EIS、SEM和X-射线光电子能谱(XPS)等测试结果表明,F-EAE在石墨负极参与形成的稳定性好且内阻小的SEI膜,同时有效抑制电池在循环过程中正极阻抗的增加,进而提高电池的高电压循环稳定性。  3)将F-EPE和F-EAE分别与LiTFSI复配,探究了对不同三元材料电池的高电压性能的影响。结果表明,LiTFSI与氟代溶剂复配能够改善能够改善不同材料的高电压特性。其中F-EAE与LiTFSI复配能够显著提高以LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2和LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2三种不同材料为正极,石墨为负极的软包电池在3.0-4.5V下的高压循环稳定性,其容量保持率分别由对照组的29.5%提高到83.2%、24.7%提高到77.4%及45.4%提高到80.4%;同时改善电池在循环过程中阻抗变化,其具体分别在电池中的作用机理有待进一步研究。同时研究发现F-EPE和F-EAE作为共溶剂,对LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2材料电池在3.0-4.5V的高压循环稳定性也有一定的改善作用。
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