镍锰酸锂的改性及以砜类为溶剂的高电压电解液研究

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锂离子电池正极材料尖晶石型镍锰酸锂LiNi0.5Mn1.5O4(LNMO)因其高比能量密度、高电压极有潜力成为动力系统的动力源,近年来受到研究者的广泛关注。本论文通过对LNMO表面进行包覆提高其比容量和循环性能,并针对普通电解液与LNMO高电压放电平台不匹配的问题,采用砜类化合物作为高电压电解液添加剂和高压溶剂进行研究,主要研究结果如下:  1.将二羟基二苯砜(BPS)与LNMO混合分散于N-甲基吡咯烷酮溶剂中,在磁力搅拌器中剧烈搅拌,让BPS与LNMO充分混合均匀,形成LNMO@BPS复合物。测试数据显示,相比于未改性的LNMO,LNMO@BPS复合物的比容量和容量保持率均得到了提高。3wt% BPS添加量的LNMO@BPS在0.2 C下,比容量达到了133 mAh·g-1;1wt%BPS添加量的LNMO@BPS在0.5 C下循环50圈后,容量保持率达到了93.1%,提高了10.9%(LNMO容量保持率仅为82.2%)。此外,本论文利用正硅酸乙酯(TEOS)对LNMO进行原位聚合包覆,形成LNMO/TEOS复合材料,该复合材料的比容量和容量保持率均有提高。3wt%TEOS包覆的LNMO容量保持率达82.52%相比于LNMO(79.55%)提高约2%,同时3 wt% LNMO/TEOS克容量相比于LNMO提升了20 mAh·g-1。  2.以碳酸乙烯酯(EC)∶碳酸二甲酯(DMC)=1∶2(V/V)作为溶剂配制基础电解液,并向电解液中加入砜类化合物添加剂分别为:1 wt%3-环丁烯砜、4,4-二羟基二苯砜、4,4-二氨基二苯砜、4,4"-双(4-氨基苯氧基)二苯砜。以LNMO为正极材料的扣式电池的测试,表明4,4-二氨基二苯砜添加到碳酸酯溶剂电解液中可以提高LNMO的比容量;同时对LNMO全电池进行电化学测试,得到了与扣式电池相反的结果。在纯碳酸酯溶剂电解液中LNMO的放电容量和容量保持率最高,加入砜类化合物添加剂后LNMO放电容量明显减小,且容量衰减较快。出现这种结果的原因主要归因于负极方面,全电池中负极石墨与砜类化合物的不兼容性导致电池的容量发挥不出来和电池的循环稳定性能差。  3.为了探讨砜类溶剂与石墨负极的兼容性,本论文以环丁砜(TMS)∶碳酸二甲酯(DMC)=2∶3(m/m)作为砜类溶剂基础电解液,向其中分别添加3.5 wt% BPS、5.0 wt% BPS、1wt%碳酸亚乙烯酯(VC)。LNMO全电池测试结果表明,LNMO在添加BPS和VC的砜类电解液中比放电容量小,容量衰减较快。说明尽管VC可以在石墨表面成膜,但也不能从根本上解决石墨与砜类溶剂的不兼容性,想要使砜类溶剂的高电压电解液进一步发展,选择合适的电池组成体系很重要。
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