新型二次电池电解质材料研究与软包电池研制

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近年来,金属锂二次电池作为一种高能量密度的电池重新成为人们关注的焦点。随着锂资源的日益消耗和锂离子电池成本的居高不下,钠离子电池也逐渐成为人们研究的热点。本文着眼于新型二次电池电解质材料的研究及软包电池的研制和开发,为锂-硫电池和室温钠离子电池的发展提供理论依据,积累产业化经验。开发了一种新型高浓度LiFNFSI-DOL-DME电解液,研究其基础物理化学性质。Li|Cu电池和Li|Li电池的研究结果表明,与3 M LiTFSI-DOL-DME体系相比,在该电解液中锂负极的平均库仑效率达到了97%,并且金属锂负极可以稳定循环超过1000 h。分别采用SEM和XPS手段观察锂负极表面形貌和分析表面组分,通过Li|LiFePO4电池研究该电解液与正极材料的相容性。结果证明3MLiFNFSI-DOL-DME电解液体系中,LiFNFSI在锂负极表面参与成膜,形成更稳定的SEI膜,从而有效提高金属锂负极的稳定性。  本研究基于“Solvent-in-Salt”电解质体系对其展开性能优化,探索适用于高能量密度锂-硫电池的新型电解液体系,并通过正交实验来验证其使用效果。使用统一标准的高密度硫正极,评价不同锂盐、混合锂盐、不同功能性添加剂的电解液体系对锂-硫电池电化学性能的影响并分析原因,最终结合正交实验的结果筛选出锂-硫电池综合电化学性能最佳的电解液体系,为后续研制高能量密度锂-硫软包电池提供参考依据。借鉴锂离子软包电池制作工艺,成功研制出小型高能量密度锂-硫单体软包电池,并将优化过的SIS体系电解液用于软包电池中,目前电池能量密度可达到322Whkg-1,循环20周容量保持率为83%。使用自主研发的正负极材料成功研制1~2Ah的室温钠离子软包电池,其能量密度达到85Whkg-1以上,0.1C倍率下循环稳定。对研制的钠离子软包电池进行安全性测试,包括挤压、针刺、短路、过充、过放等实验,测试结果是不冒烟、不起火、不爆炸,符合安全标准。最后对室温钠离子电池材料选择和原材料成本进行了分析,并与当前常用的锂离子电池体系进行对比,从电池经济性角度论证了室温钠离子电池是大规模储能领域的优秀备选电池。
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