LiFePO4-MCMB鋰離子電池低溫性能及電解液影響研究.pdf

1、鋰離子電池是一種具有高電壓、高能量密度、長循環(huán)壽命特性的輕便環(huán)保型電池,目前在純電動(dòng)汽車或混合電動(dòng)車上已經(jīng)應(yīng)用。然而較差的低溫性能制約了它的廣泛應(yīng)用,低溫環(huán)境下維持較大的輸出功率和能量是電動(dòng)車進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用推廣需要解決的關(guān)鍵問題之一。本研究旨在探討影響鋰離子電池低溫性能的因素,設(shè)計(jì)一種能改善電極/電解液界面性質(zhì)、對(duì)電極材料具有較優(yōu)兼容性的低溫電解液。
　　本文采用充放電測試、循環(huán)伏安(CV)和電化學(xué)阻抗譜(EIS)等分析了影響LiF

2、ePO4電極和中間相碳微球(MCMB)電極不同溫度下的嵌脫鋰動(dòng)力學(xué)因素。發(fā)現(xiàn)鋰離子在電極材料內(nèi)部的嵌鋰過程較脫鋰過程更為困難,電極/電解液界面間的電荷轉(zhuǎn)移阻抗和鋰離子在材料內(nèi)部的擴(kuò)散能力是影響鋰離子電池低溫性能的主要因素,LiFePO4電極的嵌鋰電荷轉(zhuǎn)移活化能為40.90kJ·mol-1,嵌鋰固相擴(kuò)散活化能為33.16kJ·mol-1,電極/電解液界面間的電荷轉(zhuǎn)移為影響低溫性能的最重要因素。與MCMB電極的脫鋰活化能比較(31.49kJ

3、·mol-1),鋰離子嵌入LiFePO4電極所需的活化能更高,說明影響鋰離子電池低溫放電性能的電極是LiFePO4正極材料。
　　考察了LiPF6為電解質(zhì)鹽,碳酸乙烯酯EC/碳酸二甲酯DMC/碳酸甲乙酯EMC的電解液和碳酸乙烯酯EC/碳酸丙烯酯PC/碳酸甲乙酯EMC電解液對(duì)LiFePO4電極和MCMB電極的兼容性,以期獲得適合于該電極體系的低溫電解液。LiFePO4電極和MCMB電極在1mol·L-1LiPF6EC/PC/EMC電

4、解液中的低溫性能高于1mol·L-1LiPF6EC/DMC/EMC電解液,但MCMB電極的首次庫侖效率有所降低,緣于PC溶劑對(duì)石墨電極產(chǎn)生的共嵌入作用。
　　采用密度泛函理論研究了溶劑EC、DMC、EMC、PC,添加劑氟代碳酸乙烯酯(FEC)和1,4-丁磺酸內(nèi)脂(BS)的最低未占據(jù)分子軌道(LUMO)及最高占據(jù)分子軌道(HOMO)能量值,結(jié)果表明,FEC和BS比溶劑中還原性最強(qiáng)的PC的還原能力更強(qiáng),可以在MCMB電極表面優(yōu)先成膜。

5、進(jìn)而研究了FEC、BS在1mol·L-1LiPF6/EC:PC:EMC(1:1:3,vol％)電解液中對(duì)MCMB電極電化學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)FEC和BS的添加在一定程度上可以提高M(jìn)CMB電極的首次效率和低溫下的脫鋰容量,CV、傅立葉紅外(FT-IR)和X射線光電子能譜(XPS)分析表明,添加劑的加入可以抑制溶劑PC的分解,參與SEI膜的形成,增強(qiáng)界面膜的穩(wěn)定性。
　　研究了FEC和BS分別添加到1mol·L-1LiPF61:1:3E

6、C/PC/EMC電解液中,對(duì)LiFePO4電極嵌鋰性能的影響。添加劑的引入能有效提高正極的低溫性能,在-20℃時(shí),加入添加劑FEC、BS后,LiFePO4電極的放電容量分別提高了26.3%和22.9%。并結(jié)合CV、EIS、掃描電鏡(SEM)和X射線光電子能譜(XPS)分析了低溫性能提高的原因,FEC和BS的添加,在電極表面可形成離子導(dǎo)電優(yōu)良、形態(tài)均勻的固相界面(SEI)膜,從而改善電極/電解液界面性質(zhì),減小電極低溫下的極化,降低膜阻抗,