高电压锂离子电池用功能电解液的研究

发布时间：2020-08-14 20:21

【摘要】：锂离子电池已在消费类电子产品中广泛使用,并且可能占据电动汽车和储能系统等大规模应用领域的领导地位。然而,人们对更高能量密度的锂离子电池的渴求依然强烈。增大锂离子电池能量密度的一种方法便是提高正极材料(如LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiCoO2)的充电截止电压。然而,高电压下(≥4.4Vvs.Li/Li+)电解液的不断分解和过渡金属的溶出极大限制了它的进一步发展。针对这些问题,本文分别从电解液添加剂和溶剂这两个角度出发,通过结构设计和理论计算,找到了一种理想的高电压添加剂和高电压混合溶剂,并显著提升了 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2和LiCoO2材料在高电压下的电化学性能。研究内容主要包括以下两个方面:在第三章中,我们采取了一种全新的添加剂筛选策略—通过理解不同官能团对电化学性能的影响来选择想要的官能团。我们选择了含有硅氮键、二乙基和三甲硅基的N,N-二乙基氨基三甲基硅烷(DEATMS)作为“双功能”添加剂,发现它不仅能消除电解液中的H2O并中和其中的HF,还能提高石墨/LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2电池在高电压下(4.5 Vvs.Li/Li+)或高温下(55℃)的性能。往电解液中加入2%的DEATMS后,即使往电解液中加入2000 ppm的H2O并在550C下储存6天,依然检测不到任何LiPF6的水解产物;同时,含有DEATMS的石墨/LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2电池循环100圈的性能明显优于对照样(高电压:85.5%vs.72.0%;高温:81.2%vs.70.6%)。正是DEATMS在正极表面的优先氧化并参与成膜,很好地阻隔了电解液和正极的直接接触从而极大改善电池性能。非原位表面分析表明,DEATMS参与形成的SEI膜很好地抑制了电解液的分解和Mn的溶出。在第四章中,我们基于理论计算的指导并结合不同溶剂的优点,制备了一种新型高电压电解液。我们选择抗氧化且抗还原的氟代乙丙醚(HFE)、抗氧化且负极成膜性能优良的氟代碳酸乙烯酯(FEC)、在正极优先氧化并参与正极成膜的二甲基砜(MSM)和低黏度的碳酸二甲酯(DMC)作为溶剂,发现由它们制成的电解液不但能极大提升Li/LiCo02电池在4.45 V和4.55 V下的循环性能,而且与石墨负极良好兼容。同时,它对于电池的安全性能也有一定提升,不仅延缓其主放热峰的出峰温度,还能显著降低其最大热流值。
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM912
【图文】：

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可循环充放的二次电池作为一种清洁高效的能源转化与储存体系而备受关逡逑注。常见的二次电池包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等，其能逡逑量密度对比如图１．１所示。其中，锂离子电池因其工作电压高、能量密度大、循逡逑环寿命长、自放电率低等优势而备受青睐［１－３］。目前，消费品锂离子电池己广泛运逡逑用于可移动电子产品中，动力锂离子电池作为电动汽车的心脏也正引领着全球电逡逑动汽车蓬勃发展的浪潮。但是，锂离子电池现有的能量密度和安全性还无法满足逡逑人们对续航能力日益增长的需求。因此，提高电池的工作电压从而提高电池能量逡逑密度并开发高电压下适配的电解液体系，对于锂离子电池的进一步发展具有重大逡逑意义。逡逑＜００「ｔ逡逑Ｉ邋３００邋ｉ邋ｒＬｒｓＪ逡逑Ｌｉｇｈｔｅｒ邋ｗｅｋｊｈｔ邋邋？逡逑０逡逑０逦５０逦１００逦１５０逦２００逦２５０逡逑Ｅｎｅｒｇｙ邋ｄｅｎｓｉｔ

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１．２．２锂离子电池的结构及工作原理逡逑锂离子电池的主要组分包括正极、负极、隔膜、电解质和外包装。锂离子电逡逑池充放电原理如图１．２所示（以ＬｉＣ0０２为正极，石墨为负极），其电极反应如逡逑下：（向右均为充电，向左均为放电）逡逑２逡逑

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ｓ．逦ｊ逡逑图１．２锂离子电池的充放电原理示意图Ｍ逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｔｈｅ邋ｃｈａｒｇｅ／ｄｉｓｃｈａｒｇｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｌｉ－ｉｏｎ邋ｂａｔｔｅｒｉｅｓ．逡逑１．２．３锂离子电池的特点逡逑与其它二次电池相比，锂离子电池的优势主要表现在以下几点［６］：逡逑（１）工作电压高。一般在３．６Ｖ左右，有的高达４Ｖ以上，是铅酸电池的２逡逑倍，镍氢、镍镉电池的３倍：逡逑（２）能量密度大。和普通二次电池相比，锂离子电池在质量比能量和体积逡逑３逡逑

【参考文献】