【摘 要】
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锂离子电池作为一种新型的清洁能源存储载体,被广泛用于电动汽车,是电动汽车的“心脏”。为了增加电动汽车的续驶里程,需要具有更高能量密度的锂离子电池。近年来,电池生产商也不断开发新材料以增加锂离子电池的能量密度。高镍三元正极材料具有成本较低、比能量高、电压平台高等优势,成为了高能量密度电池首要研发对象。然而,具有较高能量密度的电极材料具有较低的热稳定性,从而导致潜在的安全问题,例如热失控,会造成不可挽
【基金项目】
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国家自然科学基金项目:基于高镍正极界面调控的高比能动力电池热失控抑制机制研究（5200040243）; 绿色航空能源动力重庆市重点实验室开放基金重点项目:高倍率锂电池正极材料高温反应及热失控机理（GATRI2021F01001A）; 国家自然科学基金资助项目:储能用锂离子电池热失效多相喷发物燃爆释能机制研究（52106284）; 河北省自然科学基金项目:大容量动力电池热失控三维动态建模及参数敏感性
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锂离子电池作为一种新型的清洁能源存储载体,被广泛用于电动汽车,是电动汽车的“心脏”。为了增加电动汽车的续驶里程,需要具有更高能量密度的锂离子电池。近年来,电池生产商也不断开发新材料以增加锂离子电池的能量密度。高镍三元正极材料具有成本较低、比能量高、电压平台高等优势,成为了高能量密度电池首要研发对象。然而,具有较高能量密度的电极材料具有较低的热稳定性,从而导致潜在的安全问题,例如热失控,会造成不可挽回的损失和人员伤亡。解决热失控问题的基本方法是开发新型电池材料以减少热量的产生或提高电池功能材料的热稳定性。本文从新型全氟电解液出发,旨在原位构筑电极-电解液界面层,抑制高镍三元锂电池热失控触发温度,提升高镍三元锂电池的热安全性。本文首先对基于不同电解液的锂离子电池的电性能进行分析,从单体层级探究了电芯化成产气,常规电压电化学循环,倍率性能以及电化学阻抗之间的区别。为了进一步改善高镍三元锂离子电池的热性能,还对在不同电解液条件下的电芯进行高截止电压循环特性的研究。实验结果表明,全氟电解液基电池有着全方位提升的电化学性能,无论是常规电压还是高电压,其循环性能都有显著的提高。其次,对采用不同电解液的锂离子电池的热安全性能进行分析,从单体层级热性能角度使用加速量热仪和侧向加热测试对基于不同电解液的电池进行对比。探究在绝热条件不同电解液基电池发生热失控的固有特性以及在常规使用条件下两者的火灾危险性的区别。实验结果表明,全氟电解液提升单晶锂离子电池的热安全性能,其热失控过程中产热温度明显降低。然后,从模组层级搭建热触发电池热蔓延模型,结果表明,全氟电解液能够延长模组的热传播时间,并且降低整个模组的最高温度。无论是单体还是模组,全氟电解液都能在一定程度上提高电池系统的热安全性。最后,从材料层级使用DSC、STA-MS、XRD、TEM、SEM和XPS等一系列常规表征手段,验证全氟电解液原位构筑电极-电解液界面层的结果。结果表明全氟电解液能够有效在电极表面构筑富含Li F的界面层,并可以减少裂纹和副反应的发生。所有的结果表明,全氟电解液在更安全锂离子电池中具有广阔的应用前景。正极结构和电解液的联合增强为设计更安全的高能锂离子电池提供了指导。
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