双功能砜类添加剂提升富镍锂金属电池稳定性和抑制锂枝晶生长机理研究
发布时间：2021-01-30 18:01
金属锂具有高理论容量和低电化学势,是高能电池最有希望的负极材料之一。但是,不可抑制的锂枝晶生长仍是其应用的重要障碍。此外,富镍的锂镍钴锰氧化物作为一种很有前途的正极材料受到了广泛关注。但是,差的界面稳定性限制了它们的发展。开发合适的电解液添加剂是解决上述问题最经济有效的方法之一。砜类添加剂极性大,热稳定性好,是一种优良的成膜添加剂。本文主要研究了两种双功能砜类电解质添加剂二苯砜（DPS）和双（4-氟苯基）砜（BFS）对富镍锂金属电池稳定性和抑制锂枝晶的影响。首先,在NMC811/Li电池中添加0.5 wt%DPS和BFS。在1C的倍率下,其初始放电容量均在160 mAh g-1左右。循环500圈后,每圈的放电容量保持率分别为99.93%和99.91%。当倍率达到5C时,含有0.5 wt%DPS的电池在循环500圈后,放电比容量和每圈的容量保持率分别为89 mAhg-1和99.95%,远高于含有0.5wt%BFS体系（70mAh g-1,99.92%）和空白体系（25 mAhg-1,99.84%）。与空白体系相比,在活性物质负载量为20 mg/cm2（接近商业电极）或温度达到60℃时,含...
【文章来源】：华东理工大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２正极材料结构图（ａ）层状结构（ＬｉＭ０２，Ｍ?＝?Ｃｏ，?Ｎｉ，?Ｍｎ等），（ｂ）橄榄石结构??ＬｉＭＰ〇Ｍ?＝?Ｆｅ，Ｍｎ，ＮｉｃＬｉＭ＝?Ｍｎ
ｆ的高容量，在３．０－４．３?Ｖ??的电位范围内，平均放电电位可达到为３．８?Ｖ?（ｖｓ．Ｌｉ?＋?／Ｌｉ）。然而，当Ｎｉ含量增加时，??在氧化还原过程中发生相变，导致容量降低。Ｎｉ含量的增加还降低了热分解温度，这导??致发热量增加，导致材料的热稳定性劣化。??１．３．２负极??负极材料与电池的能量密度有着直接的关系。在电池充电过程中，负极材料是锂离??子和电子的载体，起着能量的储存与释放的作用。目前，常用的商业负极材料是层状结??构的石墨和立方尖晶石结构的ＬＵＴｉｓＯｕ，其结构如图１．３所示［２１］。??ｔ．。肩ｌ〇〇Ｓ??（ａ）ｆ／．＾?（ｂ）?ＬｉＪｉ．Ｏ．ｊ??图１．３商业负极材料结构??Ｆｉｇ．?１．３?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｓｃｈｅｍｅ?ｏｆ?ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚｅｄ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ??天然的石墨具有良好的导电性能，结晶度较高，还具有良好的层状结构，每６个Ｃ??和一个Ｌｉ＋结合，形成ＬｉＣ６，产生层间化合物，理论比容量可达到３７２ｍＡｈ／ｇ。在首次放??电过程中，石墨会和电解液发生氧化还原副反应，导致不可逆的容量损失和负极电位降??低，直至在负极表面形成稳定的固态电解质界面膜（简称ＳＥＩ膜），因此，实际比容量??一般为２９０？３６０ｍＡｈ／ｇ［２２］。天然石墨存在表面颗粒不均匀，粒度较大，反应活性不均匀??等问题，会导致其在循环充放电过程中结构容易被电解液破坏，且形成的ＳＥＩ膜厚度不??均匀，进而导致电池浓差极化大，初始库仑效率低，容量损失大且不可逆。为解决这些??问题，对天然石墨进行表面改性，如颗粒球形化、表面氧化（包括氟化）、表面包覆软碳??和硬碳材料等［２２＿２６］。
大２ｍｍ。组装自下而上的顺序为正极壳－正极片－隔膜－电解液－负极片－弹簧片－负极壳（如??图２－１所示）。下面以ＮＭＣ８１１／Ｌｉ为例阐述电池组装具体过程：??首先，检查手套箱环境，保证无异常。其次，用专取锂片的平头镊子取出锂片，防??止混用污染；用手术刀轻轻刮锂片表面存在的薄薄的氧化层，随后用圆柱冲孔器将锂片??冲成９?ｍｍ圆片，将其放在集流体钢片中心，并将他们压在一起。接着用绝缘镊子取出??正极壳，开口向上，依次放入ＮＭＣ８１１正极片，Ｃｅｌｇａｒｄ隔膜，移液枪滴加１００卟电解??液，保证浸润隔膜，再放入刚处理好的锂片（锂片朝下，钢片在上），弹簧片，注意保证??所有材料中心均和正极壳中心相对应。然后盖上负极壳，用绝缘镊子轻轻按压。最后，??将电池放入纽扣电池封口机凹槽上进行封装，压力控制在５０?ＭＰａ左右。封装好的电池??在手套箱中静置８ｈ后，取出进行测试。??
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池三元正极材料电解液添加剂的研究进展[J]. 邓邦为,孙大明,万琦,王昊,陈滔,李璇,瞿美臻,彭工厂. 化学学报. 2018(04)
[2]锂离子电池硅基负极材料研究现状与发展趋势的分析[J]. 张照旭. 科技与创新. 2018(04)
[3]锂离子电池电解液新型含氟添加剂研究进展[J]. 宋鑫,吴泽生,杨强强,周来,刘建文. 电源技术. 2017(10)
[4]高镍系三元层状氧化物正极材料容量衰减机理的研究进展[J]. 李想,葛武杰,王昊,瞿美臻. 无机材料学报. 2017(02)
[5]Tris（trimethylsilyl） borate as an electrolyte additive for high-voltage lithium-ion batteries using LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 cathode[J]. Chunfeng Yan,Ying Xu,Jianrong Xia,Cuiran Gong,Kerong Chen. Journal of Energy Chemistry. 2016(04)
[6]锂离子电池电解质锂盐的发展历程和新型锂盐的研究进展[J]. 闫春生,李媛媛,刘园园. 河南化工. 2016(04)
[7]锂离子电池电解质锂盐的研究进展[J]. 刘旭,杨续来. 电源技术. 2016(01)
[8]Si-Based Anode Materials for Li-Ion Batteries:A Mini Review[J]. Delong Ma,Zhanyi Cao,Anming Hu. Nano-Micro Letters. 2014(04)
[9]锂离子电池基础科学问题（Ⅷ）——负极材料[J]. 罗飞,褚赓,黄杰,孙洋,李泓. 储能科学与技术. 2014(02)
[10]锂离子电池电解质中溶剂的研究进展[J]. 宋洋. 辽宁化工. 2011(09)
硕士论文
[1]离子液体基高安全锂/锂离子电池电解质设计及性能研究[D]. 张圣洁.广东工业大学 2019
[2]含硫添加剂对高电压下锂离子电池性能影响研究[D]. 余笑颖.浙江大学 2019
本文编号：3009340
【文章来源】：华东理工大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２正极材料结构图（ａ）层状结构（ＬｉＭ０２，Ｍ?＝?Ｃｏ，?Ｎｉ，?Ｍｎ等），（ｂ）橄榄石结构??ＬｉＭＰ〇Ｍ?＝?Ｆｅ，Ｍｎ，ＮｉｃＬｉＭ＝?Ｍｎ
ｆ的高容量，在３．０－４．３?Ｖ??的电位范围内，平均放电电位可达到为３．８?Ｖ?（ｖｓ．Ｌｉ?＋?／Ｌｉ）。然而，当Ｎｉ含量增加时，??在氧化还原过程中发生相变，导致容量降低。Ｎｉ含量的增加还降低了热分解温度，这导??致发热量增加，导致材料的热稳定性劣化。??１．３．２负极??负极材料与电池的能量密度有着直接的关系。在电池充电过程中，负极材料是锂离??子和电子的载体，起着能量的储存与释放的作用。目前，常用的商业负极材料是层状结??构的石墨和立方尖晶石结构的ＬＵＴｉｓＯｕ，其结构如图１．３所示［２１］。??ｔ．。肩ｌ〇〇Ｓ??（ａ）ｆ／．＾?（ｂ）?ＬｉＪｉ．Ｏ．ｊ??图１．３商业负极材料结构??Ｆｉｇ．?１．３?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｓｃｈｅｍｅ?ｏｆ?ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚｅｄ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ??天然的石墨具有良好的导电性能，结晶度较高，还具有良好的层状结构，每６个Ｃ??和一个Ｌｉ＋结合，形成ＬｉＣ６，产生层间化合物，理论比容量可达到３７２ｍＡｈ／ｇ。在首次放??电过程中，石墨会和电解液发生氧化还原副反应，导致不可逆的容量损失和负极电位降??低，直至在负极表面形成稳定的固态电解质界面膜（简称ＳＥＩ膜），因此，实际比容量??一般为２９０？３６０ｍＡｈ／ｇ［２２］。天然石墨存在表面颗粒不均匀，粒度较大，反应活性不均匀??等问题，会导致其在循环充放电过程中结构容易被电解液破坏，且形成的ＳＥＩ膜厚度不??均匀，进而导致电池浓差极化大，初始库仑效率低，容量损失大且不可逆。为解决这些??问题，对天然石墨进行表面改性，如颗粒球形化、表面氧化（包括氟化）、表面包覆软碳??和硬碳材料等［２２＿２６］。
大２ｍｍ。组装自下而上的顺序为正极壳－正极片－隔膜－电解液－负极片－弹簧片－负极壳（如??图２－１所示）。下面以ＮＭＣ８１１／Ｌｉ为例阐述电池组装具体过程：??首先，检查手套箱环境，保证无异常。其次，用专取锂片的平头镊子取出锂片，防??止混用污染；用手术刀轻轻刮锂片表面存在的薄薄的氧化层，随后用圆柱冲孔器将锂片??冲成９?ｍｍ圆片，将其放在集流体钢片中心，并将他们压在一起。接着用绝缘镊子取出??正极壳，开口向上，依次放入ＮＭＣ８１１正极片，Ｃｅｌｇａｒｄ隔膜，移液枪滴加１００卟电解??液，保证浸润隔膜，再放入刚处理好的锂片（锂片朝下，钢片在上），弹簧片，注意保证??所有材料中心均和正极壳中心相对应。然后盖上负极壳，用绝缘镊子轻轻按压。最后，??将电池放入纽扣电池封口机凹槽上进行封装，压力控制在５０?ＭＰａ左右。封装好的电池??在手套箱中静置８ｈ后，取出进行测试。??
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池三元正极材料电解液添加剂的研究进展[J]. 邓邦为,孙大明,万琦,王昊,陈滔,李璇,瞿美臻,彭工厂. 化学学报. 2018(04)
[2]锂离子电池硅基负极材料研究现状与发展趋势的分析[J]. 张照旭. 科技与创新. 2018(04)
[3]锂离子电池电解液新型含氟添加剂研究进展[J]. 宋鑫,吴泽生,杨强强,周来,刘建文. 电源技术. 2017(10)
[4]高镍系三元层状氧化物正极材料容量衰减机理的研究进展[J]. 李想,葛武杰,王昊,瞿美臻. 无机材料学报. 2017(02)
[5]Tris（trimethylsilyl） borate as an electrolyte additive for high-voltage lithium-ion batteries using LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 cathode[J]. Chunfeng Yan,Ying Xu,Jianrong Xia,Cuiran Gong,Kerong Chen. Journal of Energy Chemistry. 2016(04)
[6]锂离子电池电解质锂盐的发展历程和新型锂盐的研究进展[J]. 闫春生,李媛媛,刘园园. 河南化工. 2016(04)
[7]锂离子电池电解质锂盐的研究进展[J]. 刘旭,杨续来. 电源技术. 2016(01)
[8]Si-Based Anode Materials for Li-Ion Batteries:A Mini Review[J]. Delong Ma,Zhanyi Cao,Anming Hu. Nano-Micro Letters. 2014(04)
[9]锂离子电池基础科学问题（Ⅷ）——负极材料[J]. 罗飞,褚赓,黄杰,孙洋,李泓. 储能科学与技术. 2014(02)
[10]锂离子电池电解质中溶剂的研究进展[J]. 宋洋. 辽宁化工. 2011(09)
硕士论文
[1]离子液体基高安全锂/锂离子电池电解质设计及性能研究[D]. 张圣洁.广东工业大学 2019
[2]含硫添加剂对高电压下锂离子电池性能影响研究[D]. 余笑颖.浙江大学 2019
本文编号：3009340
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