功能型电解液添加剂对锂硫电池性能影响的研究

作     者：邵诗宇 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李劼

授予年度：2023年

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

主      题：锂硫电池 电解液添加剂 穿梭效应 Li2S沉积 3,3’-二硫代二丙酸 戊二烯醛缩二苯胺盐酸盐 三氟乙酰胺 

摘      要：锂硫电池由于其高理论容量及较低的原料价格,被认为是目前最有潜力的储能电池之一。但是在实际应用中,锂硫电池充放电过程中的“穿梭效应、硫化锂沉积以及活性物质利用率低等问题阻碍了其发展。针对这些问题,本文从优化电解液体系的角度出发,通过引入三种电解液添加剂来提高锂硫电池的电化学性能。本文的主要研究内容如下:(1)选用3,3’-二硫代二丙酸(DTPA)作为锂硫电池的电解液添加剂,研究发现DTPA中的硫醚键(-S-S-)可以捕获电解液中弥散的多硫化物,并将长链多硫化物转化为短链多硫化物同时提升锂负极表面SEI膜的性能,阻碍多硫化物在电解液中的扩散,抑制了“穿梭效应,提高了活性物质利用率以及锂硫电池的电化学性能。使用1.50 wt.%DTPA的电解液的锂硫电池初始放电容量为1093.4 m A h g,循环250次后表现出714.8 m A h g的放电容量,明显优于基础电解液电池。(2)采用戊二烯醛缩二苯胺盐酸盐(GADH)作为锂硫电池的电解液添加剂,可有效抑制充放电反应过程中的穿梭效应。GADH作为一种分子量较大的溶质分子,引起的空间位阻效应可以有效缓解溶解的多硫化物在电解液中的扩散,从而提高锂硫电池的循环稳定性。在837.5 m A g电流密度下,使用0.75 wt.%GADH的电解液的锂硫电池初始放电容量为1055.0 m A h g,循环350次后放电容量仍有707.2 m A h g,在倍率性能测试中,335.0 m A g电流密度时相较167.5 m A g的容量保持率为71.77%,对比基础电解液电池均提升明显。(3)选用三氟乙酰胺(TFA)作为添加剂,调控放电产物的沉积行为,保护锂负极以及抑制锂枝晶的生长。TFA中的三氟甲基官能团可以在锂负极表面衍生出富Li F的SEI膜,诱导锂离子的均匀沉积,阻碍多硫化物对锂负极表面的腐蚀,此外,TFA中酰胺官能团的氢和氧可以与硫化锂中的硫和锂分别形成S-H键和O-Li键,提高硫化锂在电解液中的溶解度,诱导放电产物的3D沉积行为,有效提升锂硫电池的电化学性能。在0.5 C下,采用1.00 wt.%TFA电解液的锂硫电池初始容量为1065.0 m A h g,循环350次后放电容量为780.3 m A h g,倍率性能测试中电流密度为3350.0 m A g时容量为894.4 m A h g,相比于167.5 m A g时的容量保持率为68.5%,表现出优异的倍率性能。图49幅,表4个,参考文献132篇