用于锂金属电池的含氟电解液研究
作者单位：南京大学
学位级别：硕士
导师姓名：金钟
授予年度：2021年
主 题：储能材料 锂金属电池 含氟电解液 固体电解质界面层 碳酸乙烯酯
摘 要：随着时代发展,传统锂离子电池已经逐渐不能满足人们的生活需要,无论是电网的大规模储能系统,还是日常生活中的电动汽车、无线设备,都需要更高容量的电池体系才能达到需求的标准。在这样的背景下,锂金属电池迎来了复兴式的发展。锂金属电池的研究起步很早,但由于金属锂在循环过程中会产生-枝晶从而导致安全性问题,导致它的发展一度停滞。如今,随着科学发展和技术进步,尽管锂金属电池复出会面临同样的安全性问题,但解决问题的手段远比当时要多。人们尝试了静电平衡、固态电解质界面膜、负极载体以及电解液设计等多种方法消除锂枝晶,构建安全的锂金属电池,都取得了一定的成效。在电解液设计方面,学界认为,在锂金属电池的研究中,已经不该再研究氟元素是否加入,而是如何加入。因此含氟电解液的设计是锂金属电池研究的重要方向之一。在本文的工作中,基于一种六氟异丙氧基碳酸乙烯酯(HFEC)分子构建含氟电解液体系,以用其取代传统锂离子电池电解液中的碳酸乙烯酯(EC)为目标,将其应用到锂金属电池中,并在此基础上进行电解液的升级改造,构建了全氟电解液,同样应用到了锂金属电池中。主要内容如下:1、以HFEC为实验样品,EC为参照样品,同时为证明HFEC的作用机理,另选择三氟碳酸丙烯酯(TFPC)、六氟异丙基甲醚(HFE)为参照样品,以Li PF6为锂盐、碳酸二甲酯(DMC)为共溶剂,组成电解液。对这四种材料进行基础的性质表征和电化学表征,锂-铜半电池,锂-锂对称电池,锂-三元材料全电池的性能测试,以及后-电池的扫描电子显微镜和X射线光电子能谱表征。结果表明HFEC电解液的电化学性能和电池表现最稳定,而EC电解液效果最差。这证明了我们的设想得到了实现,即HFEC可以代替EC作为电解液成分。在后-电池的表征中,我们通过四种电池中锂金属负极的表现,结合基础表征和理论计算,分析了HFEC发挥效用的两个因素。即参与负极表面共沉积过程,在锂金属负极表面引入拉电子的CF3基团平衡锂表面电荷,以及通过六氟异丙氧基作用,提高锂表面的氟化锂含量,使得锂金属表面的固态电解质界面层稳定致密。2、在第一部分实验的基础上,以HFEC为基础,对电解液进行大规模改进。将锂盐由Li PF6更换为Li FSI的尝试由于Li FSI的副反应发生没有取得成效,但将共溶剂DMC更换为氟代碳酸甲乙酯(FEMC)的尝试取得了明显的成效,这种方法构建的锂-铜半电池、锂-锂对称电池和锂金属全电池性能都非常不错,只是由于这一体系与三元材料适配性差,故采用了磷酸铁锂作为全电池正极。由于缺少横向对比,我们采用了纵向对比的方法,使用EC、TFPC、HFE作为对比样,同样证明了HFEC-FEMC这一全氟电解液体系的优越性。而后,我们考虑了锂金属电池电解液常用的FEC添加剂,用其代替部分HFEC,构建锂金属电解液,并对不同比例的电解液通过容量保持率和循环圈数定义的性能指数进行电池性能比较,大致得出HFEC含量越高,电池性能越好的结论。本文的研究内容基于锂金属电池复兴的研究背景和氟代醚基碳酸酯的复合型结构分子,为后面的研究者提供了关于含氟电解液的新思路和科学的分析方法。
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