几种锂离子电池电解液及添加剂的性能研究

论文摘要

在化学电源中使用的少量非储能材料,可以改善电池性能,这些少量物质称为添加剂。电解液添加剂是改善锂离子电池性能最经济有效的方法之一。其突出特点是“用量少,见效快”,在不增加电池成本的条件下,加入一种质量或者体积不大于5%的添加剂就能从根本上改变锂离子电池的容量和循环寿命,或者显著改善锂离子电池的某些宏观性能。从非水电解液添加剂的作用机制上看,电解液添加剂主要可以分为成膜添加剂、导电添加剂、阻燃添加剂和过充电保护添加剂等。本论文引入了三种未见报道的添加剂四乙氧基硅烷（TEOS）、四丙氧基硅烷（TPOS）、四甲氧基硅烷（TMOS）,考查其对不同的锂离子电池（LiMn2O4/Li、LiCoO2/Li和LiFePO4/Li）的影响;除此以外,本论文还对两种不同的电解质进行了性能对比研究。本论文主要包括四个部分:1.成膜添加剂TEOS对LiMn2O4、LiCoO2和LiFePO4电池的性能影响研究。通过电池充放电测试、CV、EIS以及SEM等表征手段证明,由于在电极表面形成良好的SEI膜,TEOS对正极材料LiMn2O4及LiCoO2电化学性能有明显改善,添加TEOS后LiMn2O4电池首次放电容量达到了115.9 mAh/g,循环50周后放电容量衰减仅3.01%。除此以外研究还发现TEOS能够有效地改善LiMn2O4电池的低温循环性能。2.阻燃添加剂TPOS对LiMn2O4、LiCoO2和LiFePO4电池的性能影响研究。通过DSC发现添加5%TPOS后的电解液热分解温度由146.1℃提高至165.8℃,其热稳定性优于未加入添加剂的电解液。通过电池充放电测试、CV、EIS以及SEM等表征手段发现添加TPOS后LiMn2O4、LiCoO2电池的电化学性能并未得到较大的提高。但是添加TPOS后LiFePO4电池电化学性能得到改善,初始循环容量为128.9 mAh/g,循环充放电50次后容量达到139.3 mAh/g,初始容量、循环稳定性和寿命都大大增加。由此可见,TPOS作为电解液添加剂更适用于加入以LiFePO4为正极的电池中。3.阻燃添加剂TMOS对LiMn2O4、LiCoO2和LiFePO4电池的性能影响研究。通过DSC发现添加5%TMOS后电解液的分解温度由146.1℃提高至199.8℃,热稳定性得到很大提高,TMOS是一种有效的阻燃性添加剂。通过电池充放电测试、CV以及EIS等表征手段研究其对不同的正极材料LiMn2O4、LiCoO2和LiFePO4性能的影响,发现虽然TMOS改善了几种正极材料的热稳定性,但是其电化学性能并未得到很大改善。4.电解液LiPF6-EC/DEC及LiBF4-EC/DEC的性能对比研究。在常温下通过电导率测试、电池充放电测试、CV以及EIS等表征手段证明由于LiPF6有更高的电导率,其装配成LiFePO4电池后循环稳定性和循环寿命都优于LiBF4。但是通过DSC测试发现LiBF4比LiPF6的热稳定性略好。将装配好的电池通过低温测试发现LiBF4的放电曲线更为平滑,放电电压高于3.7 V。高低温性能测试表明LiBF4比LiPF6更适合在极端环境下使用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 1. 锂离子电池的发展概况
• 2. 锂离子电池的工作原理
• 3. 锂离子电池的组成
• 3.1 正极材料
• 3.2 负极材料
• 3.3 隔膜
• 3.4 电解液
• 3.4.1 电解质
• 3.4.2 有机溶剂
• 3.4.3 添加剂
• 4. 本论文选题意义和研究内容
• 第一章 TEOS 作为锂离子电解液成膜添加剂的性能研究
• 2O₄电池的性能研究'>第一节 TEOS 作为成膜添加剂对LiMn₂O₄电池的性能研究
• 1.1 实验部分
• 1.1.1 电解液的配制
• 1.1.2 实验电池的装配
• 1.1.3 电池的电化学性能分析及形貌表征
• 1.2 结果与讨论
• 1.2.1 不同比例的TEOS 的首次放电容量
• 1.2.2 充放电性能测试
• 1.2.3 循环伏安测试
• 1.2.4 交流阻抗测试
• 1.2.5 低温性能测试
• 1.2.6 形貌表征
• 2电池的性能研究'>第二节 TEOS 作为成膜添加剂对LiCoO₂电池的性能研究
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 电解液的配制
• 2.1.2 实验电池的装配
• 2.1.3 电池的电化学性能表征
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 充放电性能测试
• 2.2.2 循环伏安测试
• 2.2.3 交流阻抗测试
• 4电池的性能研究'>第三节 TEOS 作为成膜添加剂对LiFePO₄电池的性能研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 电解液的配制
• 3.1.2 实验电池的装配
• 3.1.3 电池的电化学性能表征
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 充放电性能测试
• 3.2.2 循环伏安测试
• 3.2.3 交流阻抗测试
• 本章小结
• 第二章 TPOS 作为锂离子电解液阻燃添加剂的性能研究
• 2O₄电池的性能研究'>第一节 TPOS 作为阻燃添加剂对LiMn₂O₄电池的性能研究
• 1.1 实验部分
• 1.1.1 电解液的配制
• 1.1.2 实验电池的装配
• 1.1.3 电池的性能分析及形貌表征
• 1.2 结果与讨论
• 1.2.1 电解液的热稳定性测试
• 1.2.2 充放电性能测试
• 1.2.3 循环伏安测试
• 1.2.4 交流阻抗测试
• 1.2.5 形貌表征
• 2电池的性能研究'>第二节 TPOS 作为阻燃添加剂对LiCoO₂电池的性能研究
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 电解液的配制
• 2.1.2 实验电池的装配
• 2.1.3 电池的电化学性能表征
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 充放电性能测试
• 2.2.2 循环伏安测试
• 2.2.3 交流阻抗测试
• 4电池的性能研究'>第三节 TPOS 作为阻燃添加剂对LiFePO₄电池的性能研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 电解液的配制
• 3.1.2 实验电池的装配
• 3.1.3 电池的电化学性能表征
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 充放电性能测试
• 3.2.2 循环伏安测试
• 3.2.3 交流阻抗测试
• 本章小结
• 第三章 TMOS 作为锂离子电解液阻燃添加剂的性能研究
• 2O₄电池的性能研究'>第一节TMOS 作为阻燃添加剂对LiMn₂O₄电池的性能研究
• 1.1 实验部分
• 1.1.1 电解液的配制
• 1.1.2 实验电池的装配
• 1.1.3 电池的化学性能表征
• 1.2 结果与讨论
• 1.2.1 电解液的热稳定性测试
• 1.2.2 充放电性能测试
• 1.2.3 循环伏安测试
• 1.2.4 交流阻抗测试
• 2电池的性能研究'>第二节TMOS 作为阻燃添加剂对LiCoO₂电池的性能研究
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 电解液的配制
• 2.1.2 实验电池的装配
• 2.1.3 电池的电化学性能表征
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 充放电性能测试
• 2.2.2 循环伏安测试
• 2.2.3 交流阻抗测试
• 4电池的性能研究'>第三节 TMOS 作为阻燃添加剂对LiFePO₄电池的性能研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 电解液的配制
• 3.1.2 实验电池的装配
• 3.1.3 电池的电化学性能表征
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 充放电性能测试
• 3.2.2 循环伏安测试
• 3.2.3 交流阻抗测试
• 本章小结
• 6及LIBF₄的性能对比研究'>第四章 电解质LIPF₆及LIBF₄的性能对比研究
• 1 实验部分
• 1.1 电解液的配制
• 1.2 电池的装配
• 1.3 电池的化学性能表征
• 2 结果与讨论
• 2.1 电导率测试
• 2.2 充放电性能测试
• 2.3 循环伏安测试
• 2.4 交流阻抗测试
• 2.5 热稳定性测试
• 2.6 低温性能测试
• 本章小结
• 论文结论
• 参考文献
• 致谢