提高鋰離子電池高溫循環(huán)穩(wěn)定性的研究.pdf

1、鋰離子電池具備無(wú)記憶效應(yīng)、環(huán)境友好、能量密度高等優(yōu)點(diǎn),經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展,廣泛應(yīng)用在筆記本電腦、手機(jī)、攝相機(jī)等便攜式電子設(shè)備中,給人們生活帶來(lái)了極大的便利。然而,對(duì)于目前電動(dòng)汽車(chē)的需求,鋰離子電池還有很多需要改進(jìn)的方面,如電池在高溫條件下循環(huán)穩(wěn)定性差已經(jīng)成為制約鋰離子電池在電動(dòng)車(chē)大規(guī)模應(yīng)用的重要因素之一。電解質(zhì)是鋰離子電池的關(guān)鍵材料之一,直接決定電池在高溫條件下的性能。本文擬通過(guò)開(kāi)發(fā)新型電解液功能添加劑和新型聚合物電解質(zhì)兩種途徑,來(lái)提高鋰

2、離子電池的高溫循環(huán)性能,以解決電動(dòng)汽車(chē)對(duì)鋰離子電池的高溫使用要求。
　　首先,針對(duì)傳統(tǒng)液體電解液中LiPF6在高溫環(huán)境易分解進(jìn)而導(dǎo)致鋰離子電池高溫循環(huán)穩(wěn)定性差的特點(diǎn),我們研究并證實(shí)了3-三甲基-硅烷硼酸酯(TMSB)作為電解液添加劑可顯著提高電池的高溫循環(huán)穩(wěn)定性,并通過(guò)交流阻抗、循環(huán)性能、庫(kù)倫效率、表面元素分析、掃描電子顯微鏡和X射線衍射等手段研究了其作用機(jī)理。結(jié)果表明,55℃時(shí)1C倍率充放電條件下,未使用添加劑的電池(LiMn2

3、O4/LiPF6-EC-DMC/Li)經(jīng)過(guò)80次充放電循環(huán)后,容量衰減達(dá)到18％;而使用添加有0.5 wt%TMSB的鋰離子電池經(jīng)過(guò)相同循環(huán)次數(shù)后,容量衰減不到3%,大大提高了鋰離子電池高溫循環(huán)穩(wěn)定性。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),添加劑TMSB在循環(huán)過(guò)程中參與電極表面SEI膜形成,是一種性能優(yōu)良的成膜添加劑,利于形成良好的鈍化膜,從而可以有效保護(hù)正極錳酸鋰材料;同時(shí)又能有效地抑制鋰離子電池界面阻抗的增大,保證了電池具有較高的循環(huán)穩(wěn)定性和容量保持率。<

4、br>　　其次,為了從根本上解決傳統(tǒng)液體電解液中LiPF6在高溫環(huán)境易分解的問(wèn)題,我們研究了全氟磺酸鋰離子交換膜作為聚合物電解質(zhì)應(yīng)用于錳酸鋰電池的可行性。由于無(wú)需添加鋰鹽LiPF6,因而可以從根本上解決鋰離子電池在高溫條件下由于LiPF6分解所導(dǎo)致電池性能差的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)溶液澆鑄成膜、鋰化、脫水、有機(jī)溶劑溶脹及后處理等工藝,最終可得到作為聚合物電解質(zhì)用于鋰離子電池的的全氟磺酸鋰離子交換膜(PFSA-Li)。通過(guò)研究全氟磺酸鋰離子交換膜的離

5、子交換容量、溶脹有機(jī)溶劑種類(lèi)及性質(zhì)、膜內(nèi)溶劑含量等因素對(duì)膜電導(dǎo)率的影響,最終得到室溫下(25℃)電導(dǎo)率(1.46×10-3S cm-1)大大超過(guò)常規(guī)固體聚合物電解質(zhì)的EP-PFSA-Li膜(即交換容量為1.18mmol/g的PFSA-Li膜經(jīng)體積比1:1的碳酸乙烯酯與碳酸丙烯酯混合溶劑溶脹得到)。循環(huán)伏安測(cè)試說(shuō)明EP-PFSA-Li膜具有穩(wěn)定寬廣的電化學(xué)窗口。在60℃時(shí)1C倍率充放電條件下,采用傳統(tǒng)液體電解質(zhì)(LiMn2O4/LiPF6

6、-EC-DMC/Li)的電池經(jīng)過(guò)50次充放電循環(huán)后,放電容量衰減達(dá)到起始容量的48.3%;而采用離子交換膜為電解質(zhì)(LiMn2O4/EP-PFSA-Li/Li)的電池經(jīng)過(guò)100次充放電循環(huán)后,容量衰減僅為29.3%,表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　最后,考慮到錳酸鋰正極材料會(huì)在高溫下發(fā)生分解的因素,我們選用具有優(yōu)良高溫穩(wěn)定性的磷酸鐵鋰為正極材料,以進(jìn)一步提高電池的高溫循環(huán)穩(wěn)定性。在55℃時(shí)以0.5C倍率充放電條件下,采用傳統(tǒng)液體電解