电解液添加剂对高镍NCM811电化学性能影响

作     者：韩亚敏 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李世友;贺建军

授予年度：2020年

学科分类：0808[工学-电气工程] 081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：锂离子电池 电解液 双草酸硼酸锂 二氟草酸硼酸锂 三(三甲基硅基)硼酸酯 

摘      要：随着锂离子电池应用领域不断扩展,人们对其能量密度提出更高的要求。LiNiCoMnO(NCM811)正极材料具有高容量而作为实现高能量密度电解液体系,是锂离子电池应用中前景优先选择最广的材料之一。但是其结构在脱嵌锂过程中容易发生阳离子混排,导致其结构不稳定,降低了电池的循环性能和倍率性能。电解液和电极之间剧烈的电化学反应,是导致材料结构不稳定的原因之一。通过将添加剂引入NCM811电解液体系,有效地提高NCM811/Li电池的性能。本论文主要将双草酸硼酸锂(LiBOB)、二氟草酸硼酸锂(LiODFB)以及三(三甲基硅基)硼酸酯(TMSB)作为电解液膜修饰的添加剂,加入常见的商用电解液体系中(1.0 mol L11 LiPF-EC/DEC(STD)),制备适用于LNCM811/Li电池体系的电解液。研究了其作为添加剂对于电解液性能、电极界面反应以及电池电化学性能的影响,并初步探索了此三种添加剂对于固体界面膜(SEI)形成的作用机理。具体研究内容和结论如下:(1)分别研究了STD、LiBOB和LiODFB电解液体系对LNCM811/Li电池电化学性能的影响。结果表明,与STD,0.5 wt.%,1 wt.%,3 wt.%LiBOB和0.5 wt.%,1 wt.%,3wt.%LiODFB电解液体系相比,2 wt.%LiBOB和2 wt.%LiODFB电解液体系的电化学性能较好。与STD相比,在0.2 C倍率下,2 wt.%LiBOB,LiODFB电解液体系的LNCM811/Li电池,在50次循环后容量保持率分别提升了9.8%和34.5%。在0.5 C倍率下,电池的放电比容量分别提升了12.8%和26.7%;在4 C倍率时,电池的放电比容量分别提升了16.7%和43%;(2)分别研究了STD,TMSB电解液体系对LNCM811/Li电池电化学性能的影响。结果表明,与STD,1 wt.%,2 wt.%TMSB电解液体系相比,0.5 wt.%TMSB电解液体系的电化学性能较好。与STD相比,在0.2 C倍率下循环50次后,0.5 wt.%TMSB电解液体系的电池放电比容量提升了17.2 mAh g。在2 C的倍率下循环100次后,0.5 wt.%TMSB电解液体系的电池放电比容量提升了一倍多。在4 C倍率下,0.5 wt.%TMSB电解液体系的放电比容量提升了38.5 mAh g。此外,在55℃时,0.5 wt.%TMSB电解液体系的循环性能比STD相比更稳定。综上所述,由于LiBOB,LiODFB以及TMSB添加剂比STD电解液优先氧化,能够在NCM811电极表面形成一层保护膜,抑制电解液的分解,保护正极材料的结构。此外,添加剂的加入也改善了NCM811正极材料表层结构的阳离子混排,提高了NCM811/Li电池的循环性能和倍率性能,有望推动NCM811/Li电池体系的商业化应用。