硅烷作为锂离子电池电解液添加剂的研究

论文摘要

由于良好的循环性能、高电压、高能量密度、长循环寿命、低自放电性能,锂离子电池成为新型能源之一。电解质溶液是锂离子电池的重要组成部分。目前商业化锂离子电池普遍采用以LiPF6为电解质锂盐的二元或三元EC基电解液（混合DMC、EMC、DEC等溶剂）,其主要缺点为熔点较高,低温使用范围有限,安全性能较差。解决方法之一是在电解液中加入一定量的添加剂。根据文献报道,5%体积/质量比的电解液添加剂即可有效提高电池体系的电化学性能,是一种经济可行的方法。本论文第一部分的研究提出一种新型负极成膜添加剂PTMS,此添加剂在负极先于PC还原,形成了一层SEI保护膜,有效抑制了PC的共插入。采用循环伏安法、恒电流充放电、傅立叶红外光谱（FTIR）、扫描电镜（SEM）以及X射线光电子能谱（XPS）研究了PC基电解液中负极成膜添加剂的行为以及对电极界面和电池性能的影响,得出以下结论:1.PTMS添加含量在10%V/V左右时,能够有效抑制PC共插入,形成有效的SEI保护膜。首次充放电容量达到323mAh/g,库伦效率大约为68%。2.根据XPS分析,可以发现SEI膜含有的主要元素为Si、O、C,其中Si元素主要以Si-O-Si、Si-Ox及C-Si-O形式存在。从FTIR可以看出,SEI组成与PTMS类似。另外,SEM图上可以明显看到SEI膜的存在。因此推测,PTMS是SEI膜的主要组成成分之一。其详细的机理有待进一步研究。第二部分的研究是基于对锂离子电池安全性能的考虑。由于锂离子电池所使用的电解液是非常易燃的有机溶剂,在滥用的条件下,存在严重的安全隐患。本部分以此为出发点,研究了VTMS阻燃剂对于锂离子电池安全性能的影响。通过对于不同VTMS含量的锂离子电池进行可燃性测试以及以及各项电化学性能测试,确定了阻燃添加剂的最佳含量。研究发现:当VTMS含量小于10%V/V时,不会对电池比容量造成太大的负面影响。作为一种环境友好的添加剂,VTMS阻燃剂将是解决锂离子电池安全问题的有效途径之一。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 锂离子电池简介
• 1.1.1 锂离子电池的工作原理
• 1.1.2 锂离子电池的优缺点
• 1.2 锂离子电池的正极材料
• 1.3 锂离子电池的负极材料
• 1.4 锂离子电池的电解液
• 1.4.1 有机溶剂
• 1.4.1.1 EC
• 1.4.1.2 PC
• 1.4.2 电解质锂盐
• 1.5 锂离子电池添加剂的研究现状
• 1.5.1 SEI成膜添加剂
• 1.5.2 过充保护添加剂
• 1.5.3 电解液的阻燃添加剂
• 1.5.3.1 卤系阻燃剂
• 1.5.3.2 磷系阻燃剂
• 1.5.3.3 复合阻燃剂
• 1.6 本论文的研究内容及意义
• 参考文献
• 第二章 实验仪器及试剂
• 2.1 实验药品
• 2.2 实验仪器
• 2.3 物理性能测试
• 2.3.1 X-射线光电子能谱（XPS）
• 2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3.3 外光谱分析（FTIR）
• 2.3.4 差示扫描量热法（DSC）
• 2.4 电化学性能测试
• 2.4.1 电池的组装
• 2.4.2 循环伏安法测试
• 2.4.3 交流阻抗法测试
• 2.4.4 恒流充放电测试
• 参考文献
• 第三章 PTMS作为锂离子电池负极成膜添加剂的研究
• 3.1 引言
• 3.2 PTMS添加剂对PC基电解液-CMS体系电化学性能的影响
• 3.2.1 PTMS添加剂最佳含量的确定
• 3.2.2 恒流充放电测试
• 3.2.3 循环伏安测试
• 3.3 循环后CMS物理性能分析
• 3.3.1 扫描电镜SEM
• 3.3.2 CMS的XPS元素分析
• 3.3.3 CMS的红外光谱图
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 阻燃添加剂及其电化学性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 ViSi23 阻燃电解液的燃烧性能
• 4.3 VTMS对正极电化学性能的影响
• 2的循环伏安测试'>4.3.1 Li/VTMS阻燃电解液/LiCoO₂的循环伏安测试
• 4.3.2 Li/VTMS阻燃电解液/LiCoO2的循环性能
• 4.3.3 Li/VTMS阻燃电解液/LiCoO2的交流阻抗
• 4.4 Li/VTMS阻燃电解液/LiCoO2的正极热稳定性
• 4.5 循环后正极材料表面XPS分析
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第五章 硅烷作为锂离子电池添加剂的总结和展望
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间的科研成果
• 致谢