锂离子电池高压电解液的制备及电化学性能研究

作     者：董曦 

作者单位：中国石油大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：黄国勇

授予年度：2021年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：锂离子电池 高压电解液 氟代碳酸乙烯酯 二氟草酸硼酸锂 添加剂 

摘      要：锂离子电池凭借其高能量密度、大容量以及长循环寿命等优异的综合性能在众多领域得到广泛应用。为了更好地满足日益增长的应用需求,亟需提高锂离子电池的工作电压。然而,在工作电压较高时(4.3 V),传统的锂离子电池电解液会发生严重的氧化分解,加速电池容量衰减,缩短其使用寿命。本研究通过在电解液中加入耐高压的溶剂和添加剂,以提高其在高压条件下的稳定性,使电池在5 V以上的高压下仍能正常工作而不发生明显的性能衰减。首先,本文将具有较宽电化学稳定窗口的氟代碳酸乙烯酯(FEC)作为共溶剂,添加到由Li PF、PC和DMC组成的基础电解液中,以提高电解液的稳定性。研究表明,FEC的存在有效提高了电解液的高压稳定性,阻止电解液发生连续的氧化分解,并显著地改善Li NiMnO/Li电池的电化学性能,循环50圈后电池的容量保持率为76.3%。但与此同时,FEC粘度大,与Li负极的相容性较差,在一定程度上会影响Li NiMnO正极材料的性能。随后,在高抗氧化稳定性FEC作共溶剂的基础上,匹配具有良好成膜效果的二氟草酸硼酸锂(Li DFOB)作为添加剂,研究不同含量的添加剂对Li NiMnO/Li半电池性能的影响。通过循环性能和倍率性能测试的综合对比,证实含Li DFOB添加剂的体系能够使电池获得更好的电化学性能,尤其是2%Li DFOB体系表现出最好的综合性能。25℃和40℃下,电池的容量保持率比未添加Li DFOB的体系分别提高了30.8%、63.7%。究其原因,主要是由于适量的Li DFOB有利于促进正极表面形成均匀稳定的SEI膜,有效抑制电解液的氧化分解。最后,选择具有超高比容量的富锂锰基材料作为正极,以研究该FEC+Li DFOB基电解液在高压正极材料领域的普适性。通过恒流充放电测试,证实该电解液与富锂锰基具有较好的相容性,并且能够有效改善富锂锰基在循环过程中的电压衰减和容量降低现象。25℃循环200圈后,LMR/Li电池的容量保持率为66.5%;40℃循环100圈后容量保持率为68.7%。研究表明,在FEC和Li DFOB的协同作用下,富锂锰基材料由层状结构向尖晶石结构的转变过程得到大幅减缓,进而使该电极材料表现出优异的高压循环稳定性。