匹配富锂锰基正极材料功能性电解液体系的研究

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锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长等优势,在手机、笔记本电脑、规模储能等领域得到了广泛的应用。为了满足日益增长的应用需求,人们对锂离子电池的能量密度、安全性能和循环寿命等方面提出了更高的要求。一方面,科研人员致力于开发新型高能量密度的电极材料,如富锂锰基正极材料(LMR)、镍钴锰三元正极材料、硅碳负极材料;另一方面,碳酸酯类电解液体系在高压或高温下容易分解,与新型电极材料的匹配效果不佳,严重影响了锂离子电池性能的发挥。因此,功能性电解液体系的构建至关重要。本文主要设计添加剂,开发适合LMR的功能性电解液体系,提高LMR/Li半电池在高压和高温下的电化学性能。本文开展了以下两个方面的工作:(1)通过理论计算筛选出3-氰基-5-氟苯硼酸(CFBA)并将其作为高压电解液添加剂改善LMR/Li半电池的电化学性能。将0.7 wt%CFBA加入基础电解液,可大幅度提高LMR/Li半电池在高压下的循环稳定性,电池在0.5 C的电流密度下循环200圈后的容量保持率从25.2%提高到88.4%;在3 C大倍率下,电池的放电比容量可达170 m Ah·g-1。理论计算和电化学分析表明,CFBA可以优先氧化,抑制电解液的分解,提高电解液的氧化稳定性。扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱、结合能计算和电感耦合等离子体发射光谱分析表明:CFBA可以调节LMR表面的化学成分,形成薄且均匀的保护膜,结合有害的HF,抑制电解液持续的氧化分解和过渡金属的溶出。(2)通过理论计算筛选出3,5-双(三氟甲基)苯硼酸(TFTB)并将其作为高温电解液添加剂改善LMR/Li半电池的电化学性能。将1.0 wt%TFTB加入到基础电解液,可大幅度改善LMR/Li半电池在常温和高温下的循环稳定性。50℃测试条件下,在0.5 C倍率下,含1.0 wt%TFTB电解液中循环200圈的电池的放电比容量从40m Ah·g-1提高到222.2 m Ah·g-1,容量保持率从15.1%提高到81.8%。扫描电子显微镜、X射线光电子能谱和电感耦合等离子体发射光谱分析表明:TFTB可以提高电解液在高温下的稳定性,调节电极-电解液界面的化学成分,抑制过渡金属的溶出,保护LMR结构的完整性。
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