锂离子电池EC基电解液功能添加剂的应用研究

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锂离子电池因其具有能量密度大、工作电压高、使用寿命长和环境相对友好等特点而被广泛应用于储能设备上。作为商业化锂离子电池最常用负极材料,石墨具有工作电压低(接近金属锂)、理论比容量高和价格低廉等优点,因而备受瞩目。但是,石墨与电解液之间的界面敏感,寄生的副反应限制了石墨的应用。例如,在锂离子的嵌入和脱出过程中,溶剂分子和溶剂化Li+容易嵌入石墨层间,造成石墨层状结构崩塌。所以,开发与石墨相匹配的电解液,解决石墨与电解液之间界面敏感问题意义重大。本文通过对电解液功能添加剂的系统研究,旨在改善石墨负极与电解液之间的兼容性,从而提高电池的电化学性能。  采用恒流充放电、循环伏安法(CV)、交流阻抗(EIS)、X射线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)等方法研究了在EC基电解液中添加亚硫酸乙烯酯(ES)对石墨电极电化学性能的影响。研究结果表明,添加ES能够通过在特定阶段抑制EC分解形成无机产物的过程,达到改善石墨负极表面SEI膜的目的。电池在添加0.3%ES的电解液中首次和第100循环的充电比容量分别为354.9 mAh g-1和359.3 mAh g-1,容量没有明显衰减。但是,在未添加ES的电解液中首次循环充电比容量为349.1 mAh g-1,循环100次后,容量衰减26.9 mAhg-1,容量保持率仅为92.3%。XPS测试结果证实了ES分解产物参与了石墨负极表面SEI膜的形成,ES分解产物主要为Li2SO3、ROSO2Li和有机硫化物。添加0.3%ES后,SEI膜中LiF和LixPOyFz等无机产物的含量明显减少。EIS测试结果进一步表明,添加ES能够明显降低石墨电极的膜电阻和界面交换电阻。  用恒流充放电、循环伏安法(CV)、交流阻抗(EIS)和扫描电子显微镜(SEM)等方法研究了苯甲酸钠对EC基电解液中石墨负极电化学性能的影响。研究结果表明,苯甲酸钠能明显改善石墨负极的电化学性能,苯甲酸钠溶液的最佳浓度为1%。较大电流(0.5 C)常温下循环时,经1%苯甲酸钠溶液处理的石墨首次充电比容量和库伦效率分别为293.9 mAh g-1和90.02%,40次循环后,容量保持在300 mAh g-1。然而,未经处理石墨的首次充电比容量和库伦效率分别为226.3 mAhg-1和89.69%,40次循环后电池的可逆容量仅为260mAhg-1。电池在75℃环境中放置48 h后常温循环,经1%苯甲酸钠溶液处理过的石墨的可逆容量为194.2mAhg-1,但是,未经处理的石墨的可逆容量仅为123.0mAh g-1。经过1%苯甲酸钠溶液的处理,石墨电极在首次循环过程中的不可逆容量损失被减小,库伦效率得到提高,且拥有更高的可逆容量和耐高温性能。SEM和EIS测试结果表明,苯甲酸钠的参与使得石墨表面SEI膜更加光滑,更有利于锂离子的通过,且耐高温性能的到明显提高。
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