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锂离子电池是一种具有高电压、高能量密度、长循环寿命特性的轻便环保型电池,目前在纯电动汽车或混合电动车上已经应用。然而较差的低温性能制约了它的广泛应用,低温环境下维持较大的输出功率和能量是电动车进行实际应用推广需要解决的关键问题之一。本研究旨在探讨影响锂离子电池低温性能的因素,设计一种能改善电极/电解液界面性质、对电极材料具有较优兼容性的低温电解液。 本文采用充放电测试、循环伏安(CV)和电化学阻抗谱(EIS)等分析了影响LiFePO4电极和中间相碳微球(MCMB)电极不同温度下的嵌脱锂动力学因素。发现锂离子在电极材料内部的嵌锂过程较脱锂过程更为困难,电极/电解液界面间的电荷转移阻抗和锂离子在材料内部的扩散能力是影响锂离子电池低温性能的主要因素,LiFePO4电极的嵌锂电荷转移活化能为40.90kJ·mol-1,嵌锂固相扩散活化能为33.16kJ·mol-1,电极/电解液界面间的电荷转移为影响低温性能的最重要因素。与MCMB电极的脱锂活化能比较(31.49kJ·mol-1),锂离子嵌入LiFePO4电极所需的活化能更高,说明影响锂离子电池低温放电性能的电极是LiFePO4正极材料。 考察了LiPF6为电解质盐,碳酸乙烯酯EC/碳酸二甲酯DMC/碳酸甲乙酯EMC的电解液和碳酸乙烯酯EC/碳酸丙烯酯PC/碳酸甲乙酯EMC电解液对LiFePO4电极和MCMB电极的兼容性,以期获得适合于该电极体系的低温电解液。LiFePO4电极和MCMB电极在1mol·L-1LiPF6EC/PC/EMC电解液中的低温性能高于1mol·L-1LiPF6EC/DMC/EMC电解液,但MCMB电极的首次库仑效率有所降低,缘于PC溶剂对石墨电极产生的共嵌入作用。 采用密度泛函理论研究了溶剂EC、DMC、EMC、PC,添加剂氟代碳酸乙烯酯(FEC)和1,4-丁磺酸内脂(BS)的最低未占据分子轨道(LUMO)及最高占据分子轨道(HOMO)能量值,结果表明,FEC和BS比溶剂中还原性最强的PC的还原能力更强,可以在MCMB电极表面优先成膜。进而研究了FEC、BS在1mol·L-1LiPF6/EC:PC:EMC(1:1:3,vol％)电解液中对MCMB电极电化学性能的影响,发现FEC和BS的添加在一定程度上可以提高MCMB电极的首次效率和低温下的脱锂容量,CV、傅立叶红外(FT-IR)和X射线光电子能谱(XPS)分析表明,添加剂的加入可以抑制溶剂PC的分解,参与SEI膜的形成,增强界面膜的稳定性。 研究了FEC和BS分别添加到1mol·L-1LiPF61:1:3EC/PC/EMC电解液中,对LiFePO4电极嵌锂性能的影响。添加剂的引入能有效提高正极的低温性能,在-20℃时,加入添加剂FEC、BS后,LiFePO4电极的放电容量分别提高了26.3%和22.9%。并结合CV、EIS、扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)分析了低温性能提高的原因,FEC和BS的添加,在电极表面可形成离子导电优良、形态均匀的固相界面(SEI)膜,从而改善电极/电解液界面性质,减小电极低温下的极化,降低膜阻抗,提高界面上的电化学反应速率。