用于钛氧化物负极材料的锂离子电池电解液的优化研究
发布时间：2021-09-28 19:57
电解液和正负极材料构成了锂离子电池,电解液在离子传输中扮演着关键角色,因此电解液的种类也决定着锂离子电池的电化学性能、安全性能,尤其在低温情况下。二氧化钛（TiO2）具有良好的结构稳定性、循环稳定性及高安全性,是下一代锂离子电池负极材料候选之一。本文通过设计了电解液的组成,制备了优化的液态电解液以及凝胶电解质,将其分别应用在TiO2负极和钛酸锂负极上,提升了锂离子电池的电化学性能。采用了不同的表征技术、电化学分析、模拟与计算等手段对钛氧化物作为负极材料的锂离子电池的电解液进行了优化研究,其主要研究内容如下:通过水热法和热处理制备了碳掺杂的TiO2（B）/石墨烯纳米复合材料作为锂离子电池负极材料。选用了EMC、EC、PC作为电解液的有机溶剂,LiBF4作为锂盐。调节EMC和EC在电解液中的比例,制备出6种不同EMC/EC比例的电解液,并研究不同电解液在-20℃的电化学性能,电化学结果和模拟计算表明:电解液中EMC:EC:PC为7:2:1时,使用此电解液的TiO2（B）/graph...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池原理
第1章绪论-5-高的环状碳酸酯与粘度和介电常数较低的链状碳酸酯混合使用来改善电解液的性质。常用的粘度、熔点较低的链状碳酸酯类溶剂有DMC、DEC、EMC等。这些可降低含环状碳酸酯电解液的粘度和熔点，是电解液中很好的共溶剂。图1-2常用的几种有机溶剂的分子结构图1.3.2电解液锂盐锂盐是电解液的重要组成部分，在相同溶剂中具有不同锂盐的电解液表现出不同的离子电导率。常用的电解质盐有六氟磷酸锂（LiPF6）、六氟合砷酸锂（LiAsF6）、高氯酸锂（LiClO4）和四氟硼酸锂（LiBF4）等。图1-3是常见的几种电解质盐的结构图[21]。在这些锂盐中，LiPF6廉价、安全、电化学稳定性强，对于Cu、Al集流体没有腐蚀作用，其分解窗口高达5.1V，远远高于电池的工作电压[22]。废弃电池的处理工艺简单，且对环境友好。因其良好的综合性能而成为锂离子电池中使用最广泛的电解质盐。但LiPF6的热稳定性能和水解稳定性能较差[23]。电解液中，阴离子PF6-存在平衡反应[24]：LiPF6=LiF+PF5（1-3）PF5是一种易于和有机溶剂反应的强路易斯酸，从而使得平衡向右移动。当温度较高时，该平衡会向右加速移动。同时LiPF6容易水解生成HF从而破坏SEI膜的稳定[25,26]。反应方程式如下：LiPF6+H2O=LiF+HF+POF3（1-4）PF5+H2O=LiF+HF+POF3（1-5）
燕山大学工程硕士学位论文-6-LiBF4的电化学稳定性低于LiPF6，单独使用时不能在石墨负极上形成稳定的SEI膜，成膜性差，因此在常温电解液中的应用较少，但由于LiBF4的阴离子半径小，容易缔合，其具有更好的热稳定性和水解稳定性，低温时电荷转移电阻小，因此适合低温环境以及高倍率放电[21,27]。使用LiClO4盐的锂离子电池具有较差的高低温电化学性能，而且LiClO4本身是一种强氧化剂，受到撞击后容易爆炸，安全性能较差，不适合锂离子电池的工业化生产。图1-3常见几种电解质盐的结构图1.3.3电解液添加剂为了改善锂离子电池的某些性能，将电解液中添加少许的某些物质。这些少量的物质被称为电解液添加剂。添加剂种类繁多，对于锂离子电池不同的性能、用途要求，所选择添加的电解液添加剂的种类也存在差异[28]。目前，电解液添加剂按功能分类主要有以下几种：1.改善SEI膜的性能。2.提高电解液的电导率。3.改善电解液热稳定性。4.提高锂离子电池的低温性能。5.改善电池的安全性能。电解液中添加少量的Li2CO3添加剂，可以改善SEI膜的性能，从而防止石墨电极的
【参考文献】：
期刊论文
[1]氮掺杂碳包覆高倍率钛酸锂材料的制备[J]. 陈垒,陈振宇,许益伟,司聪玲,丁亚西,陈晓梅. 现代化工. 2019(04)
[2]锂电池凝胶聚合物电解质的研究进展[J]. 王永勤,薛旭金,郭贤慧,王建萍. 河南化工. 2017(08)
[3]能源革命:从化石能源到新能源[J]. 邹才能,赵群,张国生,熊波. 天然气工业. 2016(01)
[4]锂离子电池用聚合物凝胶电解质研究进展[J]. 赵世勇. 电池工业. 2014(01)
[5]锂电池凝胶聚合物电解质的研究进展[J]. 张兰,张世超. 电源技术. 2013(11)
[6]凝胶聚合物PVDF-HFP电解质膜的性能研究[J]. 芮含笑,乔庆东,李琪. 电源技术. 2012(03)
本文编号：3412473
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池原理
第1章绪论-5-高的环状碳酸酯与粘度和介电常数较低的链状碳酸酯混合使用来改善电解液的性质。常用的粘度、熔点较低的链状碳酸酯类溶剂有DMC、DEC、EMC等。这些可降低含环状碳酸酯电解液的粘度和熔点，是电解液中很好的共溶剂。图1-2常用的几种有机溶剂的分子结构图1.3.2电解液锂盐锂盐是电解液的重要组成部分，在相同溶剂中具有不同锂盐的电解液表现出不同的离子电导率。常用的电解质盐有六氟磷酸锂（LiPF6）、六氟合砷酸锂（LiAsF6）、高氯酸锂（LiClO4）和四氟硼酸锂（LiBF4）等。图1-3是常见的几种电解质盐的结构图[21]。在这些锂盐中，LiPF6廉价、安全、电化学稳定性强，对于Cu、Al集流体没有腐蚀作用，其分解窗口高达5.1V，远远高于电池的工作电压[22]。废弃电池的处理工艺简单，且对环境友好。因其良好的综合性能而成为锂离子电池中使用最广泛的电解质盐。但LiPF6的热稳定性能和水解稳定性能较差[23]。电解液中，阴离子PF6-存在平衡反应[24]：LiPF6=LiF+PF5（1-3）PF5是一种易于和有机溶剂反应的强路易斯酸，从而使得平衡向右移动。当温度较高时，该平衡会向右加速移动。同时LiPF6容易水解生成HF从而破坏SEI膜的稳定[25,26]。反应方程式如下：LiPF6+H2O=LiF+HF+POF3（1-4）PF5+H2O=LiF+HF+POF3（1-5）
燕山大学工程硕士学位论文-6-LiBF4的电化学稳定性低于LiPF6，单独使用时不能在石墨负极上形成稳定的SEI膜，成膜性差，因此在常温电解液中的应用较少，但由于LiBF4的阴离子半径小，容易缔合，其具有更好的热稳定性和水解稳定性，低温时电荷转移电阻小，因此适合低温环境以及高倍率放电[21,27]。使用LiClO4盐的锂离子电池具有较差的高低温电化学性能，而且LiClO4本身是一种强氧化剂，受到撞击后容易爆炸，安全性能较差，不适合锂离子电池的工业化生产。图1-3常见几种电解质盐的结构图1.3.3电解液添加剂为了改善锂离子电池的某些性能，将电解液中添加少许的某些物质。这些少量的物质被称为电解液添加剂。添加剂种类繁多，对于锂离子电池不同的性能、用途要求，所选择添加的电解液添加剂的种类也存在差异[28]。目前，电解液添加剂按功能分类主要有以下几种：1.改善SEI膜的性能。2.提高电解液的电导率。3.改善电解液热稳定性。4.提高锂离子电池的低温性能。5.改善电池的安全性能。电解液中添加少量的Li2CO3添加剂，可以改善SEI膜的性能，从而防止石墨电极的
【参考文献】：
期刊论文
[1]氮掺杂碳包覆高倍率钛酸锂材料的制备[J]. 陈垒,陈振宇,许益伟,司聪玲,丁亚西,陈晓梅. 现代化工. 2019(04)
[2]锂电池凝胶聚合物电解质的研究进展[J]. 王永勤,薛旭金,郭贤慧,王建萍. 河南化工. 2017(08)
[3]能源革命:从化石能源到新能源[J]. 邹才能,赵群,张国生,熊波. 天然气工业. 2016(01)
[4]锂离子电池用聚合物凝胶电解质研究进展[J]. 赵世勇. 电池工业. 2014(01)
[5]锂电池凝胶聚合物电解质的研究进展[J]. 张兰,张世超. 电源技术. 2013(11)
[6]凝胶聚合物PVDF-HFP电解质膜的性能研究[J]. 芮含笑,乔庆东,李琪. 电源技术. 2012(03)
本文编号：3412473
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