宽温、阻燃锂离子电池电解液的研究

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锂离子电池商业电解液的液程范围窄、挥发性高、在某些临界高温和外力撞击的情况下存在着热失控的风险,使得锂离子电池难以满足宽温、高安全性的使用需求,制约了锂离子电池在资源勘探、航空航天等领域的应用。针对以上问题,本论文以磷酸铁锂正极和锂负极作为研究体系,通过调节锂盐的种类、浓度以及添加剂的使用等来展开关于锂离子电池宽温、阻燃电解液的研究,分析了电解液在高、低温下的作用机理,提出了锂离子电池宽温、阻燃电解液的设计方案。首先,设计了基于四种碳酸酯溶剂的以二氟草酸硼酸锂(lithium borate difluoroaratate,Li DFOB)和二草酸硼酸锂(lithium borate dioxalate,Li BOB)作为锂盐的宽温电解液。这种电解液在100℃高温下能维持稳定的、较高水平的溶剂化,通过稳定的界面钝化膜的形成,提升了高温下电极-电解液界面的稳定性,进而将锂离子电池的使用区间拓宽至-30~100℃。同时这一双锂盐的碳酸酯电解液能在100℃高温下200圈循环后保持90.32%的高容量保留率,室温25℃下循环1000圈后容量损失小于3%,在-20℃的低温下循环160圈后容量保留率为84.08%,展现出了良好的宽温应用前景。其次,在宽温电解液的研究基础上,进一步开展低温电解液研究,探究了不同Li DFOB、双三氟甲磺酰亚胺锂(lithium bis(trifluoromethanesulfonimide),Li TFSI)锂盐浓度对锂离子电池的低温性能的影响。随着锂盐浓度的增加,Li TFSI的溶剂化程度逐渐增加,而Li DFOB则始终保持在较低的溶剂化水平,这有利于低温去溶剂化过程的进行。其中2 M Li DFOB的碳酸酯电解液能在-20℃低温下循环超400圈,同时维持88.87%的高容量保留率,展现出了较好的低温应用潜力。最后,针对宽温应用时潜在的安全性问题,在宽温电解液中加入磷酸三乙酯(triethyl phosphate,TEP)作为阻燃添加剂,探究了不同TEP的添加量对宽温电解液的阻燃性能以及电化学性能的影响。在维持电解液60℃高温循环性能的前提下,实现了100μL电解液16 s自熄灭的高安全性,远低于商业电解液的54 s,展现出了良好的宽温、阻燃性能。
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