电解液添加剂对锂离子电池电化学性能影响研究

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锂离子电池充放电过程中电解液的副反应导致电极-电解液界面不稳定,产生过渡金属溶解等问题,造成电池阻抗增大和不可逆容量衰减,制约了高比能锂离子电池的发展。为解决这一问题,本论文研究了一系列含氟有机小分子作为添加剂加入到1 M LiPF6/EC:EMC=3:7(wt%)电解液中对LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)、LiNi0.5Mn1.5O4(LNMO)和Li3V2(PO43(LVP)三种锂离子正极材料电化学性能的影响。论文主要研究工作总结如下:(1)基于密度泛函理论,计算比较溶剂分子碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)与含氟有机添加剂分子的HOMO和LUMO能级,结果显示含氟有机分子都有比EC和EMC更高的HOMO能级和更窄的电化学窗口,其中含甲氧基(-OCH3)供电子基团分子的HOMO能级比含三氟甲基(-CF3)吸电子基团分子更高。线性扫描伏安测试结果表明,所选用含氟有机分子都比电解液氧化分解电位更低,与理论计算结果一致,且无添加剂电解液的分解电流含添加剂电解液的分解电流。(2)带有三氟甲基的添加剂(T1、T2、T3)有利于减小NCM811材料在充放电循环中的容量衰减,其中五氟-3’,5’-双三氟甲基-1,1’-联苯(T1)对其电化学性能促进效果最好。对比电解液不含添加剂的样品,1 C充放电500个循环后,电解液中加入2 wt%T1使材料的放电比容量从46 mAh?g-1提升至100 mAh?g-1,容量保持率从26.59%提升至59.52%,且循环前后半电池的电荷传递阻抗(Rct)基本保持不变,不含添加剂的半电池循环后Rct增大了119Ω。(3)五氟-4’-三氟甲基-1,1’-联苯(T2)和五氟-4’-甲氧基-1,1’-联苯(T5)添加剂对LNMO材料的电化学性能有明显促进作用。在1 C充放电500循环后,与不含添加剂的电解液相比,加入2 wt%T2将LNMO的放电比容量从83.6 mAh?g-1提高至101.4 mAh?g-1,容量保持率从70.36%提高至92.31%;加入2 wt%T5使材料在充放电250循环后比容量稳定在100 mAh?g-1左右,500循环后仍保持99.3 mAh?g-1。(4)采用溶胶凝胶法合成正极材料LVP(Ⅲ)&pH=9,验证了含甲氧基的添加剂五氟-4’-甲氧基-1,1’-联苯(T5)和四氟-4,4’-二甲氧基-1,1’-联苯(T6)对LVP材料在3.04.8 V电压范围内倍率性能和长循环稳定性能的促进作用。在20 C电流下,与电解液不含添加剂的电池相比,加入0.5 wt%T6将电池放电比容量从零提升至83.4 mAh?g-1。在2 C电流下充放电500循环,加入2 wt%T5和0.5 wt%T6将电池的容量保持率从82.16%分别提升至92.33%、90.94%。本论文所研究的电解液添加剂对锂离子正极材料电化学性能促进作用存在一定规律,即含甲氧基的添加剂更适用于高电压材料,含三氟甲基的添加剂同时适用于高、低电压材料。促进机理可能涉及了这些含氟添加剂分子在正极材料表面发生电化学反应,其产物形成具有高离子导电性和良好稳定性的保护层,有效钝化了正极表面,抑制了电极-电解液界面副反应的持续发生,对提高锂离子电化学性能起到良好的促进作用。
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