双氟磺酰亚胺锂合成及其电解液对铝箔的腐蚀性能研究

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liuxing_001
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六氟磷酸锂(LiPF6)基电解液对水份敏感、易受热分解释放腐蚀性气体等问题是限制锂离子电池发展的主要原因之一。开发LiPF6的替代锂盐成为当下迫切的任务。在众多新型锂盐中,双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)以其优异的性能发展成为备受人们关注的锂盐。其腐蚀正极集流体铝箔的问题,限制了在锂离子电池中的使用。研究表明,在LiFSI基电解液中加入能钝化铝箔的锂盐如双草酸硼酸锂(LiBOB)可有效抑制室温下的铝箔腐蚀。但是动力锂离子电池的发展要求电解液耐受45℃以上的恶劣环境,因此有必要对高温下LiFSI基电解液对铝箔的腐蚀行为进行研究。论文主要包括三部分内容:(1)LiFSI的合成。以NH2SO3H、SOCl2、ClSO3H为原料合成前驱体双氯磺酰亚胺(HN(SO2Cl)2),接着通过与SbF3反应得到双氟磺酰亚胺(HN(SO2F)2)。在乙腈中HN(SO2F)2与K2CO3反应得到相应的KFSI溶液。最后通过KFSI与LiClO4在乙腈中发生离子交换反应得到LiFSI产品,其纯度为98.8%。(2)45℃下LiFSI基电解液对铝箔腐蚀的研究。用循环伏安法(CV)、线性扫描伏安法(LSV)、恒电位计时电流法研究了电解液对铝箔的腐蚀行为和LiBOB盐的加入对铝箔腐蚀的影响,并用X-射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)对铝箔进行了表征。研究发现45℃下铝箔的腐蚀较室温下严重,这是由于铝箔在电化学作用下和电解液发生反应生成不规则的、疏松的对铝箔不具保护作用的AlF3物质而造成了铝金属的消耗,使铝箔出现了严重的腐蚀,密度泛函理论(DFT)计算也证明腐蚀产物中AlF3的存在。在LiFSI基电解液中加入LiBOB可改变铝箔和LiFSI基电解液之间的界面反应,使铝箔表面形成一层坚固、具有保护作用的、主要成分为B2O3和LiF的固体钝化膜。(3)确定电解液中LiFSI、LiBOB和碳酸酯溶剂间的最佳比例,使其在45℃下保持和铝箔及LiFePO4正极良好的相容性。通过将电解液的基础理化性质和电池的循环性能及倍率性能相关联,并结合单纯形法确定了电解液的最优比例,其组成为LiFSI0.53-LiBOB0.35-EC/DEC/EMC(1.3:1.5:1.5,体积比)。该配比下Li/LiFePO4半电池在45℃测试环境中,经过0.5 C倍率下的100次充放电后仍然具有143.1 mAh/g的放电比容量,容量保持率为94.9%。最后建立了快速评选电解液的简单模型。为工业上电解液的评价提供了一个新思路。
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