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几种锂离子电池电解液及添加剂的性能研究

作　者: 王蓁
导　师: 贾殿赠；黄玉代
学　校: 新疆大学
专　业: 无机化学
关键词: 锂离子电池 电解液添加剂 四乙氧基硅烷(TEOS) 四丙氧基硅烷(TPOS) 四甲氧基硅烷(TMOS)
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


在化学电源中使用的少量非储能材料,可以改善电池性能,这些少量物质称为添加剂。电解液添加剂是改善锂离子电池性能最经济有效的方法之一。其突出特点是“用量少,见效快”,在不增加电池成本的条件下,加入一种质量或者体积不大于5%的添加剂就能从根本上改变锂离子电池的容量和循环寿命,或者显著改善锂离子电池的某些宏观性能。从非水电解液添加剂的作用机制上看,电解液添加剂主要可以分为成膜添加剂、导电添加剂、阻燃添加剂和过充电保护添加剂等。本论文引入了三种未见报道的添加剂四乙氧基硅烷(TEOS)、四丙氧基硅烷(TPOS)、四甲氧基硅烷(TMOS),考查其对不同的锂离子电池(LiMn2O4/Li、LiCoO2/Li和LiFePO4/Li)的影响;除此以外,本论文还对两种不同的电解质进行了性能对比研究。本论文主要包括四个部分:1.成膜添加剂TEOS对LiMn2O4、LiCoO2和LiFePO4电池的性能影响研究。通过电池充放电测试、CV、EIS以及SEM等表征手段证明,由于在电极表面形成良好的SEI膜,TEOS对正极材料LiMn2O4及LiCoO2电化学性能有明显改善,添加TEOS后LiMn2O4电池首次放电容量达到了115.9 mAh/g,循环50周后放电容量衰减仅3.01%。除此以外研究还发现TEOS能够有效地改善LiMn2O4电池的低温循环性能。2.阻燃添加剂TPOS对LiMn2O4、LiCoO2和LiFePO4电池的性能影响研究。通过DSC发现添加5%TPOS后的电解液热分解温度由146.1℃提高至165.8℃,其热稳定性优于未加入添加剂的电解液。通过电池充放电测试、CV、EIS以及SEM等表征手段发现添加TPOS后LiMn2O4、LiCoO2电池的电化学性能并未得到较大的提高。但是添加TPOS后LiFePO4电池电化学性能得到改善,初始循环容量为128.9 mAh/g,循环充放电50次后容量达到139.3 mAh/g,初始容量、循环稳定性和寿命都大大增加。由此可见,TPOS作为电解液添加剂更适用于加入以LiFePO4为正极的电池中。3.阻燃添加剂TMOS对LiMn2O4、LiCoO2和LiFePO4电池的性能影响研究。通过DSC发现添加5%TMOS后电解液的分解温度由146.1℃提高至199.8℃,热稳定性得到很大提高,TMOS是一种有效的阻燃性添加剂。通过电池充放电测试、CV以及EIS等表征手段研究其对不同的正极材料LiMn2O4、LiCoO2和LiFePO4性能的影响,发现虽然TMOS改善了几种正极材料的热稳定性,但是其电化学性能并未得到很大改善。4.电解液LiPF6-EC/DEC及LiBF4-EC/DEC的性能对比研究。在常温下通过电导率测试、电池充放电测试、CV以及EIS等表征手段证明由于LiPF6有更高的电导率,其装配成LiFePO4电池后循环稳定性和循环寿命都优于LiBF4。但是通过DSC测试发现LiBF4比LiPF6的热稳定性略好。将装配好的电池通过低温测试发现LiBF4的放电曲线更为平滑,放电电压高于3.7 V。高低温性能测试表明LiBF4比LiPF6更适合在极端环境下使用。

全文目录


摘要  2-4
Abstract  4-10
前言  10-23
  1. 锂离子电池的发展概况  10-11
  2. 锂离子电池的工作原理  11-12
  3. 锂离子电池的组成  12-22
    3.1 正极材料  13-14
    3.2 负极材料  14-15
    3.3 隔膜  15
    3.4 电解液  15-22
      3.4.1 电解质  15-16
      3.4.2 有机溶剂  16-17
      3.4.3 添加剂  17-22
  4. 本论文选题意义和研究内容  22-23
第一章 TEOS 作为锂离子电解液成膜添加剂的性能研究  23-43
  第一节 TEOS 作为成膜添加剂对LiMn_2O_4电池的性能研究  23-34
    1.1 实验部分  24-25
      1.1.1 电解液的配制  24
      1.1.2 实验电池的装配  24-25
      1.1.3 电池的电化学性能分析及形貌表征  25
    1.2 结果与讨论  25-34
      1.2.1 不同比例的TEOS 的首次放电容量  25-26
      1.2.2 充放电性能测试  26-27
      1.2.3 循环伏安测试  27-29
      1.2.4 交流阻抗测试  29-32
      1.2.5 低温性能测试  32
      1.2.6 形貌表征  32-34
  第二节 TEOS 作为成膜添加剂对LiCoO_2电池的性能研究  34-37
    2.1 实验部分  34
      2.1.1 电解液的配制  34
      2.1.2 实验电池的装配  34
      2.1.3 电池的电化学性能表征  34
    2.2 结果与讨论  34-37
      2.2.1 充放电性能测试  34-35
      2.2.2 循环伏安测试  35-36
      2.2.3 交流阻抗测试  36-37
  第三节 TEOS 作为成膜添加剂对LiFePO_4电池的性能研究  37-41
    3.1 实验部分  37-38
      3.1.1 电解液的配制  38
      3.1.2 实验电池的装配  38
      3.1.3 电池的电化学性能表征  38
    3.2 结果与讨论  38-41
      3.2.1 充放电性能测试  38-39
      3.2.2 循环伏安测试  39-40
      3.2.3 交流阻抗测试  40-41
  本章小结  41-43
第二章 TPOS 作为锂离子电解液阻燃添加剂的性能研究  43-58
  第一节 TPOS 作为阻燃添加剂对LiMn_2O_4电池的性能研究  43-50
    1.1 实验部分  44
      1.1.1 电解液的配制  44
      1.1.2 实验电池的装配  44
      1.1.3 电池的性能分析及形貌表征  44
    1.2 结果与讨论  44-50
      1.2.1 电解液的热稳定性测试  45
      1.2.2 充放电性能测试  45-46
      1.2.3 循环伏安测试  46-47
      1.2.4 交流阻抗测试  47-49
      1.2.5 形貌表征  49-50
  第二节 TPOS 作为阻燃添加剂对LiCoO_2电池的性能研究  50-53
    2.1 实验部分  50
      2.1.1 电解液的配制  50
      2.1.2 实验电池的装配  50
      2.1.3 电池的电化学性能表征  50
    2.2 结果与讨论  50-53
      2.2.1 充放电性能测试  50-51
      2.2.2 循环伏安测试  51-52
      2.2.3 交流阻抗测试  52-53
  第三节 TPOS 作为阻燃添加剂对LiFePO_4电池的性能研究  53-57
    3.1 实验部分  53
      3.1.1 电解液的配制  53
      3.1.2 实验电池的装配  53
      3.1.3 电池的电化学性能表征  53
    3.2 结果与讨论  53-57
      3.2.1 充放电性能测试  54-55
      3.2.2 循环伏安测试  55-56
      3.2.3 交流阻抗测试  56-57
  本章小结  57-58
第三章 TMOS 作为锂离子电解液阻燃添加剂的性能研究  58-69
  第一节TMOS 作为阻燃添加剂对LiMn_2O_4电池的性能研究  58-62
    1.1 实验部分  58-59
      1.1.1 电解液的配制  58
      1.1.2 实验电池的装配  58
      1.1.3 电池的化学性能表征  58-59
    1.2 结果与讨论  59-62
      1.2.1 电解液的热稳定性测试  59
      1.2.2 充放电性能测试  59-60
      1.2.3 循环伏安测试  60-61
      1.2.4 交流阻抗测试  61-62
  第二节TMOS 作为阻燃添加剂对LiCoO_2电池的性能研究  62-65
    2.1 实验部分  62
      2.1.1 电解液的配制  62
      2.1.2 实验电池的装配  62
      2.1.3 电池的电化学性能表征  62
    2.2 结果与讨论  62-65
      2.2.1 充放电性能测试  62-63
      2.2.2 循环伏安测试  63-64
      2.2.3 交流阻抗测试  64-65
  第三节 TMOS 作为阻燃添加剂对LiFePO_4电池的性能研究  65-68
    3.1 实验部分  65
      3.1.1 电解液的配制  65
      3.1.2 实验电池的装配  65
      3.1.3 电池的电化学性能表征  65
    3.2 结果与讨论  65-68
      3.2.1 充放电性能测试  65-66
      3.2.2 循环伏安测试  66-67
      3.2.3 交流阻抗测试  67-68
  本章小结  68-69
第四章 电解质LIPF_6及LIBF_4的性能对比研究  69-76
  1 实验部分  69-70
    1.1 电解液的配制  69
    1.2 电池的装配  69
    1.3 电池的化学性能表征  69-70
  2 结果与讨论  70-74
    2.1 电导率测试  70
    2.2 充放电性能测试  70-71
    2.3 循环伏安测试  71
    2.4 交流阻抗测试  71-72
    2.5 热稳定性测试  72-74
    2.6 低温性能测试  74
  本章小结  74-76
论文结论  76-78
参考文献  78-85
致谢  85-86

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 蓄电池
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