高温高压双键哌啶类离子液体锂离子电解质的研究

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更高能量密度和更广泛应用的锂离子电池对安全性能有了更多的要求。特别是在新能源汽车领域,由于电池组电池工作容量和工作电压高,电池容易短路造成局部温度过高,同时市场上所使用的电解质一般为LiPF6和碳酸酯有机溶剂,其中碳酸酯有机溶剂在高温下易燃,这是近些年来电动力汽车燃烧事故的主要原因。除此之外,LiPF6容易与微量的水或在温度高的环境下容易发生分解反应生成HF并破坏正极电极材料的结构。因此开发一种安全稳定的电解质十分重要。本文在近些年来锂离子电解质安全问题的研究基础上,采用了新型离子液体PP13*DFOB,设计出一种能在高温下保护正极材料的电解质,并对电解质的成膜机理进行了研究。本文的研究内容如下:(1)采用新型离子液体PP13*TFSI制备离子液体电解质。通过混合离子液体和有机溶剂制备了0.4 M LiDFOB:PP13*TFSI/EMC/FEC电解质。为了探寻最佳配比,制备了三种不同组成的电解质。发现了50%体积浓度的PP13*TFSI时使得电解液体系的性能为最优。使用这种电解质组装的富锂半电池在40℃的高温循环测试100圈后,放电比容量为157.1 mAh g-1,容量保持率为91%。在55℃的高温循环测试100圈后,放电比容量为172.7 mAh g-1,容量保持率为97.2%。通过场发射电子扫面显微镜发现这种电解质能够在富锂正极表面形成SEI膜。(2)采用透射电镜测试发现SEI膜结构为双层膜结构并探讨了双层SEI膜的高温稳定作用。制备了三种不同组分的电解质,比较分析LiDFOB和PP13*TFSI在形成SEI膜过程中的作用。发现了LiDFOB和PP13*TFSI同时存在时形成的SEI膜为双层膜结构。通过和理论计算相结合证明了双层结构SEI膜,其中内层主要是LiDFOB构成,是多孔的并且不均匀,其厚度范围为18.63nm至43.18nm.。外层主要由PP13*TFSI构成,是一层颜色深且密度较大的膜,其厚度大约在11.15nm左右。使用LiDFOB和PP13*TFSI同时存在的电解质组装的富锂半电池在55℃的高温循环测试150圈后,放电比容量为165.2 mAh g-1,容量保持率为90.9%。(3)采用成膜性离子液体探讨抑制铝腐蚀机理。通过比较PP13TFSI,PP13*TFSI,PP13DFOB和PP13*DFOB发现PP13*DFOB在铝集流体上形成SEI膜。通过Al表面的EDX能谱分析能够发现Al的存在,发现含有PP13*DFOB的电解质能够形成SEI膜盖住了Al表面来抑制铝腐蚀现象的发生。此外,通过TG测试分析,发现含有PP13*DFOB的电解质能够在高温下稳定存在。以上结果说明了PP13*DFOB离子液体是一种潜在应用价值很大的安全电解质组分。
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