新型电解液应用于高电压锂金属电池的研究

发布时间：2020-04-03 19:31

【摘要】：锂离子电池具有功率密度高、无污染、无记忆性和寿命长等诸多优点,已经广泛应用在手机等便携式电子设备领域。然而,为了满足更高能量密度电池的要求,锂金属电池受到了研究人员广泛关注。金属锂负极具有理论比容量高(3860 mAh g~(-1)),工作电压低(-3.04 V)以及密度低等优点,匹配高电压正极材料后能够表现出更高的能量密度。然而,目前传统的商用电解液由于闪点低、易燃烧、以及与锂金属电池界面相容性差等缺点,限制了其在高电压锂金属电池中的应用。因此,研究新型的电解液体系来满足高电压锂金属电池的相容性已经迫在眉睫。基于此,本文重点分析丁二腈(succinonitrile,SN)基电解液在高电压锂金属电池正极界面的作用机理。研究发现双氟草酸硼酸锂(LiDFOB)对高电压钴酸锂正极界面有很好的稳定作用。因此,我们进一步将双氟草酸硼酸锂(LiDFOB),六氟磷酸锂(LiPF_6)与具有良好界面稳定性作用的氟代碳酸乙烯酯(FEC)溶剂结合,设计出一款新型的功能性双盐电解液体系(dual-salt electrolyte,DSE),并应用于高电压锂金属电池中。具体内容如下:(1)采用固态丁二腈作为溶剂,混合双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)和双氟草酸硼酸锂两种功能性锂盐,在室温条件下形成双阴离子深共融体系(dual-anion deep eutectic solution,D-DES),研究其在高电压钴酸锂正极界面的作用机理。通过X-射线光电子衍射(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)、红外光谱仪(IR)、核磁共振光谱仪(NMR)等测试发现:该电解液能够在高电压钴酸锂正极表面形成CEI膜保护钴酸锂正极结构,抑制丁二腈的分解。(2)基于第一个实验研究发现LiDFOB对高电压锂金属电池电极界面有稳定作用,我们将双氟草酸硼酸锂(LiDFOB),六氟磷酸锂(LiPF_6)和氟代碳酸乙烯酯(FEC)溶剂结合,制备了一款新型的功能性双盐电解液。该电解液表现出较宽的电化学窗口、良好的热稳定性能。在Li|Li对称电池中,锂金属能够实现长达3000 h的稳定沉积/溶解。高电压LiCoO_2|Li电池也表现出优异的长循环性能:在3-4.5 V的电压范围内,电池充放循环800圈(倍率:1 C,25 ~oC)后,电池容量保持率可以达到88.7%;在3-4.6 V电压范围内,电池充放电循环200圈(倍率:1 C,25 ~oC)后,容量保持率为85%,其性能远远优于传统的商用电解液体系(1 M LiPF_6-EC/DMC)。此外,该电解液还被尝试应用于5 V高电压的LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4(LNMO)|Li电池,电池能够稳定循环100圈(倍率:1 C,25 ~oC),容量保持率为93.5%。
【学位授予单位】：青岛大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O646.1;TM912

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