锂离子电池功能添加剂的合成与电化学性能

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锂离子电池具有高能量密度等优异的电化学性能,被广泛应用于手机和平板等便携式设备,以及新能源电动汽车(EV)、航天航空、电网储能等领域。但近年来关于锂离子电池引发的火灾甚至爆炸的报道屡见不鲜,锂离子电池的安全问题引起人们普遍的关注。引起锂离子电池安全问题的重要因素之一是电池内部电解液的高度易燃性,商业化锂离子电池使用碳酸酯作为电解液,链状碳酸酯具有较低的蒸气压和较低的闪点,其在过充、过放、短路滥用条件下极易发生燃烧、爆炸等安全问题,因而提高锂离子电池的安全性是目前研究的重中之重。本论文设计合成了阻燃添加剂、成膜添加剂、新型有机电解质,从锂离子电池电解液的角度来提高锂离子电池的安全性能:首先,在本论文的第一部分工作中,合成了阻燃添加剂三(2,2,2-三氟乙基)磷酸酯(TFP),并将其添加到1.0 mol L-1 LiPF6/EC+DEC的基准电解液中,进而研究含有TFP电解液的燃烧性能与电化学性能。研究结果表明,当TFP含量为20%时,电解液几乎不燃,电解液的阻燃性得到显著提高。但Graphite/LiCoO2全电池在该电解液中的电化学性能较差,因此,通过尝试添加负极成膜添加剂FEC与TFP复配来改善Graphite/LiCoO2全电池的电化学性能。测试结果表明,0.5 C倍率下循环70圈后容量仍有128.4 mAh g-1,高于基准电解液的120.7 mAh g-1,Graphite/LiCoO2全电池在FEC/TFP与基准电解液复配体系中的电化学性能得到显著提高。其次,本论文的第二部分工作设计合成了三(2,2,2-噻吩乙基)磷酸酯(TTEP)正极成膜添加剂,并将其添加到1.0 mol L-1 LiPF6/EC+DEC的基准电解液中,研究了含有TTEP电解液对LiCoO2正极材料的电化学性能和热稳定性能影响。研究表明,TTEP的氧化电位为4.27 V,低于基准电解液的4.45V的氧化电位,因此,TTEP会比基准电解液优先被氧化,从而在LiCoO2电极表面生成固体电解质界面膜。与基准电解液相比,LiCoO2在添加TTEP的电解液中的电化学性能和安全性能均得到显著提高。在150次高温循环后,电池容量保持率从40.19%(基准电解液)提高到71.18%(添加TTEP电解液),5 C和10 C倍率下放电比容量从130.0mAh g-1和80.00 mAh g-1提高到140.0 mAh g-1和120.0 mAh g-1,与LiCoO2正极材料放热主峰对应的温度从195.9oC提高到198.5oC,放热量从141.3 mW g-1降低到76.21 mW g-1。最后,在本论文的第三部分工作中,合成了有机化合物[2-[2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基]乙氧基]三甲基硅烷(1NM3),以LiPF6、LiTFSI、LiBOB作为锂盐,研究其电化学窗口、热稳定性以及在Li/LiNi 0.6Co0.2Mn0.2O2中的电化学性能。研究结果表明,1NM3氧化电位高达5.23 V,LiPF6和LiTFSI作为锂盐电池无法循环容量低,LiBOB+LiTFSI、LiBOB+LiPF6双盐体系电化学性能优异,200圈循环过后放电容量分别为121.3 mAh g-1,148.0 mAh g-1,容量保持率分别为72.11%、83.91%。
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