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锂离子电池作为可靠的能源已经广泛应用于小型电源驱动设备,但由于存在安全性问题,使其在大型电池(例如:电动汽车EV,混合动力汽车HEV、电动工具等)方面的应用受到严重限制。随着锂离子电池的大型化,系统、深入地研究电池的安全性能十分重要,本文着重研究了电池的过充安全性能。
向电解液中加入耐过充添加剂是人们研究的一个热点。同时,对锂离子电池LiCoO2材料表面包覆也是提高了电池过充安全性能的重要手段之一。本文在这两个方面开展了系统的工作。电解液方面,根据锂离子电池中电解液添加剂应满足的条件,选用了二甲苯和环己基苯两种电解液添加剂。通过循环伏安的方法研究添加剂的聚合电位,并通过SEM、EIS、XRD等方法对添加剂的过充保护作用进行了探讨。在LiCoO2材料方面,用不同的方法在LiCoO2表面分别进行Al2O3和MgO包覆。通过SEM、EDS、TEM、XRD、TG/DTA等方法对包覆后的材料的热稳定性能和电化学性能进行了研究。主要结果如下:
(1)二甲苯和环己基苯均可发生电聚合反应,二甲苯的聚合电位为4.66V(Vs.Li/Li+,下同),环己基苯的聚合电位为4.70V。
(2)当电池过充时,添加剂会发生聚合反应,形成的聚合产物覆盖在LixCoO2电极和隔膜表面,阻塞了隔膜表面的微孔,并使电池阻抗增大,进而终止反应。当电解液中二甲苯或环己基苯含量为5%时,过充性能得到改善,电池可耐3C、10V过充,且对锂离子电池的正常充放循环性能影响不大。
(3)XRD研究表明,Al2O3包覆层以无定形态覆盖在LiCoO2材料表面,MgO包覆层以晶态覆盖在LiCoO2材料表面。用两种方法包覆的LiCoO2材料,其体相结构没有明显改变,表明包覆物只是覆盖在材料表面,而没有进入材料体相。
(4)包覆量为5%的两种材料均可提高LixCoO2(x<1)材料的热稳定性,且效果相近。当包覆量在5%以内时,Al2O3包覆的LiCoO2材料在正常和过充电电位下均表现出较好的循环性能。相比较而言,MgO包覆的LiCoO2材料在正常电位下的循环性能较未包覆的LiCoO2材料有所改善,但容量保持率不如Al2O3包覆的材料,并且在过充电位下的循环性能也没有改善。这说明LiCoO2材料晶体结构的破坏与电解液的参与有关,Al2O3包覆的LiCoO2材料能够有效抑制高电位下正极材料和电解液的直接接触,提高材料的电化学性能及过充性能。
(5)以不同包覆量的LiCoO2材料为正极材料制备的锂离子电池的过充实验表明,包覆3%Al2O3的LiCoO2材料可耐3C、10V过充,包覆5%Al2O3的LiCoO2材料可耐3C、15V过充。而相同实验条件下,包覆5%MgO的LiCoO2材料在3C、10V过充条件下起不到保护作用,仅仅有短暂的延缓爆炸作用。