基于界面膜调控锂离子电池高压电解液的研究
发布时间：2020-07-17 12:47
【摘要】：近年来锂离子电池在电动汽车领域的应用日益广泛,与此同时,该领域对锂离子电池提出更高能量密度的需求,使用高压正极材料是提高能量密度的有效手段之一,然而,高电压下传统电解液与正极材料之间界面不稳定,电解液易氧化分解,增大锂离子电池的不可逆容量,进而降低了锂离子电池的循环稳定性,因此锂离子电池耐高压电解液的开发对进一步提高锂离子电池的能量密度至关重要。目前,提高高压下电解液与正极材料界面稳定性的有效方法之一是使用高压电解液添加剂。添加剂自我分解调控界面膜,使得该界面膜可以有效隔绝电解液与正极材料间接触,抑制正极材料的溶解和电解液的氧化分解。此外,添加剂用量少、效果显著,因此近年来备受科学界和产业界的研究和关注。本论文主要研究了无机锂盐氟锆酸锂和有机物氟代碳酸乙烯酯及多巴胺两类电解液添加剂对“Li/LiNi0.5Mn1.5O4”和“Li/LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2”电池界面膜的调控,研究内容和结果如下:(1)合成了无机添加剂氟锆酸锂,将其作为添加剂应用于“Li/LiNi05Mn1.5O4”电池中,研究其循环性能和倍率性能。实验结果表明在常规电解液中加入0.15 molL-1氟锆酸锂后,Li/LiNi0.5Mn1.5O4半电池的首圈放电比容量为128mAhg-1,200圈后的容量保持率为88.79%;同样测试条件下,常规电解液首圈放电比容量为113.6 mAh g-1,200圈后电池的容量保持率为83.89%。EIS分析表明氟锆酸锂参与形成的SEI膜的阻抗较小;SEM和TEM测试表明无添加剂时,循环200圈后LiNi0.5Mn1.504表面形成不均一且较厚的SEI膜,而有氟锆酸锂存在时,氟锆酸锂可以调控界面膜,使其均一稳定;XPS和XPS刻蚀分析表明,氟锆酸锂可以有效抑制电解液高压下的氧化分解且保护正极材料。(2)采用Gaussian 09中B3LYP方法计算添加剂氟代碳酸乙烯酯、多巴胺以及传统溶剂EC、DMC、EMC的HOMO能级,并将其分别应用在“Li/LiNi06Co0.2Mn0.2O2”、“Li/LiNi05Mn1 5O4”半电池中,测试添加剂对电池性能的影响。恒电流充放电测试表明,在基础电解液中添加质量比为10%的FEC后,可以显著提高Li/LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2电池的循环稳定性。在基础电解液中添加质量比为0.1%的多巴胺后,有利于Li/LiNi0.5Mn15O4容量的发挥。电化学分析方法表明,含有添加剂的电解液在正极表面分解形成的SEI膜的阻抗值较小且较稳定。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM912
【图文】：
潮汐能、化学能源等的任务已迫在眉睫。其中，化学能源中的锂离子电池具有比逡逑能量高、无记忆效应、循环寿命长等优点己经在便携性电子设备、储能设备中取逡逑得了广泛应用［１］。如图１．１所示：锂离子电池放电时Ｌｉ＋由负极材料脱出，经内电逡逑路流向正极，电子由外电路从负极流向正极，充电时Ｕ＋和电子的运动方向与放逡逑电时相反，Ｕ＋在正负极之间来回穿梭运动，形成摇椅式电池。逡逑近年来，由于以传统能源为主的汽车广泛普及使得环境污染加重，全球各地‘逡逑区对绿色环保型能源如锂离子电池的需求日益增加，目前特斯拉、比亚迪等汽车逡逑巨擘公司己成功研发出纯电动汽车，但是仍存在诸如充电时间长、续航里程短等逡逑问题，因此若想用锂离子电池完全取代传统能源，必须研发具有更高容量、安全逡逑性更高的锂离子电池［２－４］。逡逑ｅｊ￣￣Ｉ？逡逑（ＳｙｕＭｉ逡逑！Ｌ邋ＳＩ逡逑Ｕ邋１＾１逡逑Ａｎｏｄｅ逦Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ逦Ｃａｔｈｏｄｅ逡逑（ｇｒａｐｈｉｔｅ）逦（ＵＣ0０２）逡逑‘邋－邋＾逡逑图１．１锂离子电池的原理示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｗｏｒｋｉｎｇ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ邋ｂａｔｔｅｒｉｅｓ逡逑ｌ．ｎ锂离子电池正极材料发展简介逡逑如图１．２所示为商业化的锂离子电池正极材料。其中钻酸锂（ＵＣｏＣｈ）正极逡逑材料因其理论比容量高为２７４邋ｍＡｈ邋ｇ－１，工艺性能优良，压实密度高等优异性能逡逑１逡逑
潮汐能、化学能源等的任务已迫在眉睫。其中，化学能源中的锂离子电池具有比逡逑能量高、无记忆效应、循环寿命长等优点己经在便携性电子设备、储能设备中取逡逑得了广泛应用［１］。如图１．１所示：锂离子电池放电时Ｌｉ＋由负极材料脱出，经内电逡逑路流向正极，电子由外电路从负极流向正极，充电时Ｕ＋和电子的运动方向与放逡逑电时相反，Ｕ＋在正负极之间来回穿梭运动，形成摇椅式电池。逡逑近年来，由于以传统能源为主的汽车广泛普及使得环境污染加重，全球各地‘逡逑区对绿色环保型能源如锂离子电池的需求日益增加，目前特斯拉、比亚迪等汽车逡逑巨擘公司己成功研发出纯电动汽车，但是仍存在诸如充电时间长、续航里程短等逡逑问题，因此若想用锂离子电池完全取代传统能源，必须研发具有更高容量、安全逡逑性更高的锂离子电池［２－４］。逡逑ｅｊ￣￣Ｉ？逡逑（ＳｙｕＭｉ逡逑！Ｌ邋ＳＩ逡逑Ｕ邋１＾１逡逑Ａｎｏｄｅ逦Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ逦Ｃａｔｈｏｄｅ逡逑（ｇｒａｐｈｉｔｅ）逦（ＵＣ0０２）逡逑‘邋－邋＾逡逑图１．１锂离子电池的原理示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｗｏｒｋｉｎｇ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ邋ｂａｔｔｅｒｉｅｓ逡逑ｌ．ｎ锂离子电池正极材料发展简介逡逑如图１．２所示为商业化的锂离子电池正极材料。其中钻酸锂（ＵＣｏＣｈ）正极逡逑材料因其理论比容量高为２７４邋ｍＡｈ邋ｇ－１，工艺性能优良，压实密度高等优异性能逡逑１逡逑
１．１．２锂离子电池负极材料发展简介逡逑锂离子电池负极材料应该具有低的嵌脱锂氧化还原电位、可逆容量大、结构逡逑稳定性好等特征［２２＿２３］。如图１．３所示为目前商业化的负极材料。石墨类负极材料逡逑中的天然石墨材料价格便宜，但是其表面活性不均匀，不利于形成稳定均一的固逡逑体电解质界面膜，因此往往需要用表面修饰和包覆等方法对天然石墨改性。中间逡逑相碳微球ＭＣＭＢ等人造石墨材料，其表面反应活性均一，利于形成稳定的ＳＥＩ逡逑膜，但是其价格与天然石墨相比比较昂贵。逡逑除石墨类负极材料外，有一类结构十分稳定的负极材料一一钛酸锂。电池循逡逑环过程中，钛酸锂体积变化很小，有利于实现锂离子电池高的循环稳定性。但是，逡逑钛酸锂的倍率性能较差，因此需用离子掺杂，颗粒包覆等方法改善其倍率性能逡逑［２４－２７］逡逑0逡逑？ｃ逦？？丨0丨处\l逡逑石墨
本文编号：2759457
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM912
【图文】：
潮汐能、化学能源等的任务已迫在眉睫。其中，化学能源中的锂离子电池具有比逡逑能量高、无记忆效应、循环寿命长等优点己经在便携性电子设备、储能设备中取逡逑得了广泛应用［１］。如图１．１所示：锂离子电池放电时Ｌｉ＋由负极材料脱出，经内电逡逑路流向正极，电子由外电路从负极流向正极，充电时Ｕ＋和电子的运动方向与放逡逑电时相反，Ｕ＋在正负极之间来回穿梭运动，形成摇椅式电池。逡逑近年来，由于以传统能源为主的汽车广泛普及使得环境污染加重，全球各地‘逡逑区对绿色环保型能源如锂离子电池的需求日益增加，目前特斯拉、比亚迪等汽车逡逑巨擘公司己成功研发出纯电动汽车，但是仍存在诸如充电时间长、续航里程短等逡逑问题，因此若想用锂离子电池完全取代传统能源，必须研发具有更高容量、安全逡逑性更高的锂离子电池［２－４］。逡逑ｅｊ￣￣Ｉ？逡逑（ＳｙｕＭｉ逡逑！Ｌ邋ＳＩ逡逑Ｕ邋１＾１逡逑Ａｎｏｄｅ逦Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ逦Ｃａｔｈｏｄｅ逡逑（ｇｒａｐｈｉｔｅ）逦（ＵＣ0０２）逡逑‘邋－邋＾逡逑图１．１锂离子电池的原理示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｗｏｒｋｉｎｇ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ邋ｂａｔｔｅｒｉｅｓ逡逑ｌ．ｎ锂离子电池正极材料发展简介逡逑如图１．２所示为商业化的锂离子电池正极材料。其中钻酸锂（ＵＣｏＣｈ）正极逡逑材料因其理论比容量高为２７４邋ｍＡｈ邋ｇ－１，工艺性能优良，压实密度高等优异性能逡逑１逡逑
潮汐能、化学能源等的任务已迫在眉睫。其中，化学能源中的锂离子电池具有比逡逑能量高、无记忆效应、循环寿命长等优点己经在便携性电子设备、储能设备中取逡逑得了广泛应用［１］。如图１．１所示：锂离子电池放电时Ｌｉ＋由负极材料脱出，经内电逡逑路流向正极，电子由外电路从负极流向正极，充电时Ｕ＋和电子的运动方向与放逡逑电时相反，Ｕ＋在正负极之间来回穿梭运动，形成摇椅式电池。逡逑近年来，由于以传统能源为主的汽车广泛普及使得环境污染加重，全球各地‘逡逑区对绿色环保型能源如锂离子电池的需求日益增加，目前特斯拉、比亚迪等汽车逡逑巨擘公司己成功研发出纯电动汽车，但是仍存在诸如充电时间长、续航里程短等逡逑问题，因此若想用锂离子电池完全取代传统能源，必须研发具有更高容量、安全逡逑性更高的锂离子电池［２－４］。逡逑ｅｊ￣￣Ｉ？逡逑（ＳｙｕＭｉ逡逑！Ｌ邋ＳＩ逡逑Ｕ邋１＾１逡逑Ａｎｏｄｅ逦Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ逦Ｃａｔｈｏｄｅ逡逑（ｇｒａｐｈｉｔｅ）逦（ＵＣ0０２）逡逑‘邋－邋＾逡逑图１．１锂离子电池的原理示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｗｏｒｋｉｎｇ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ邋ｂａｔｔｅｒｉｅｓ逡逑ｌ．ｎ锂离子电池正极材料发展简介逡逑如图１．２所示为商业化的锂离子电池正极材料。其中钻酸锂（ＵＣｏＣｈ）正极逡逑材料因其理论比容量高为２７４邋ｍＡｈ邋ｇ－１，工艺性能优良，压实密度高等优异性能逡逑１逡逑
１．１．２锂离子电池负极材料发展简介逡逑锂离子电池负极材料应该具有低的嵌脱锂氧化还原电位、可逆容量大、结构逡逑稳定性好等特征［２２＿２３］。如图１．３所示为目前商业化的负极材料。石墨类负极材料逡逑中的天然石墨材料价格便宜，但是其表面活性不均匀，不利于形成稳定均一的固逡逑体电解质界面膜，因此往往需要用表面修饰和包覆等方法对天然石墨改性。中间逡逑相碳微球ＭＣＭＢ等人造石墨材料，其表面反应活性均一，利于形成稳定的ＳＥＩ逡逑膜，但是其价格与天然石墨相比比较昂贵。逡逑除石墨类负极材料外，有一类结构十分稳定的负极材料一一钛酸锂。电池循逡逑环过程中，钛酸锂体积变化很小，有利于实现锂离子电池高的循环稳定性。但是，逡逑钛酸锂的倍率性能较差，因此需用离子掺杂，颗粒包覆等方法改善其倍率性能逡逑［２４－２７］逡逑0逡逑？ｃ逦？？丨0丨处\l逡逑石墨
【参考文献】
相关期刊论文 前5条
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2 罗瑞;任婉;蒋阳梅;廖世军;;非碳酸酯基溶剂锂离子电池电解液的研究进展[J];现代化工;2014年08期
3 罗飞;褚赓;黄杰;孙洋;李泓;;锂离子电池基础科学问题(Ⅷ)——负极材料[J];储能科学与技术;2014年02期
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5 许杰;姚万浩;姚宜稳;王周成;杨勇;;添加剂氟代碳酸乙烯酯对锂离子电池性能的影响[J];物理化学学报;2009年02期
本文编号：2759457
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