锂离子电池硅基负极电解液添加剂研究进展:挑战与展望

随着新能源和动力系统应用的日益成熟,锂离子电池在未来必将发挥越来越重要的作用,高比能电池已经成为当前研究的热点,并不断提出更高的性能要求。具有超高理论能量密度的硅材料被认为是缓解电动汽车行业里程焦虑的新一代负极材料,预示着未来几年将是硅基负极锂离子电池产业化应用的黄金时期。然而,硅在脱/嵌锂过程中会反复收缩膨胀(体积变化率约为300%),致使负极材料粉化、脱落,进而失去电接触,造成负极材料的失活;其次,循环过程中不断的体积变化会对其表面固体电解质界面层造成持续不断的破坏,因此难以形成稳定的固体电解质中间相(SEI)膜,这导致大量活性锂和电解液的消耗,最终导致容量快速衰减。本综述旨在从电解液添加剂在SEI形成和修饰、Lewis碱中和、溶剂化调控等作用机理角度对硅基负极界面恶化方面所面临的挑战进行分析,并重点介绍硅基负极电解液添加剂的最新成果。此外,通过对氟、硅烷、酰胺、氰酸酯等官能团构效关系方面的深入讨论和比较,本综述还深入研究了电解液添加剂的设计问题,以激发读者的新思路和新想法,协助读者识别或者设计合成适用于硅基负极的电解液添加剂,为高比能电池的发展铺平道路。

2,2-二甲基乙烯基硼酸电解液添加剂对锂离子电池的影响

为了提高石墨负极与电解液之间的界面稳定性,构建更加均匀稳定的SEI膜,在碳酸酯类电解液中添加了1%(质量分数)的2,2-二甲基乙烯基硼酸(DEBA)。采用恒流充放电、循环伏安法(CV)、交流阻抗法(EIS)进行电化学性能测试,同时采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)对循环前后的石墨电极进行了表征。研究结果表明,添加DEBA能够提高锂离子电池的放电比容量和循环稳定性,同时能够降低界面阻抗,形成更加均匀稳定的SEI薄膜。0.2 C时添加DEBA的电池首次放电比容量为343.2 mAh/g,循环300次后,放电比容量为285.4 mAh/g,容量保持率为83.2%,表现出比不含添加剂的电池更好的循环性能。

长寿命高镍锂电池界面重构电解液添加剂研究进展

高镍正极匹配锂金属负极是实现高比能锂电池的重要发展方向之一,然而,高比能锂电池体系存在体相结构稳定性差、与表界面难以兼容等共性问题,特别是在高截止电压、宽温域的实际工况条件下,表界面退化往往加速体相结构的破坏,造成电极材料性能快速衰退。相较于离子掺杂和表面包覆等改性手段,基于溶剂-锂盐优化或功能性添加剂主导的电解液诱导界面重构改性工程,可以同时实现对高比能正负极材料电化学循环改性,易于大规模工业生产应用。其中,功能性添加剂能极大提升电极/电解液界面兼容性,同时有利于调控电解液溶剂化结构,利用其电化学氧化/还原活性特征改变高比能电极/电解液电化学界面行为,从而实现高比能锂电池稳定循环。本文论述了不同功能性电解液添加剂在高镍正极和负极表面的成膜性、界面吸附稳定性、界面协同演变、酸水杂质清除等方面改性作用,为筛选和设计特定功能化添加剂实现高比能高镍锂全电池的稳定循环提供了新思路。

高比能长循环磷酸铁锂电解液添加剂研究进展

锂离子电池近几年在电动车和电子设备行业的应用呈现爆发式增长,高能量密度长循环锂离子电池的需求不断增加。作为提高电池能量密度的重要措施之一,正极预锂化的应用也受到越来越多的关注。然而,正极预锂化添加剂分解电压偏高,稳定性差及易产生气体等问题,严重影响了电池的能量密度和循环寿命。针对正极预锂化技术的实际应用,迫切需要开发商业可用的电解液添加剂来提升电池稳定性和抑制产气。因此,从电池电解液添加剂改进的角度系统地总结和分析了各种提升电解液稳定性和稳固电池界面的添加剂,可为锂离子电池的预锂化技术开发和高比能电池的性能优化提供重要的参考价值。

电解液添加剂中氟代碳酸乙烯酯、氯代碳酸乙烯酯的应用

在电池的制造生产中,氟代碳酸乙烯酯(FEC)、氯代碳酸乙烯酯(CEC)在作为添加剂用于电解液后,其电解液的电化学窗口等性能可以得到提高,进而提高电池在循环多次后的容量保持率。为此,本文首先进行氯代碳酸乙烯酯的合成研究,探讨不同指标对产品制造的影响和生产不足。其次,将氟代碳酸乙烯酯作为电解液添加剂,应用恒流充放电、循环伏安(CV)和电化学阻抗谱(EIS)等方法,研究对LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_(4)/Li、电解液的电化学窗口、Li/MCMB半电池的性能影响。最后经过实验讨论,氟代碳酸乙烯酯能有效作为电解液添加剂并应用在电池中,利于提高电池的整体质量。

EC基电解液添加剂对锂离子电池性能的影响

锂离子电池性能在提高能量密度、延长循环寿命及增强安全性等方面具有明显优势,但随着对锂离子电池性能要求日益提高,如何进一步提高其综合性能已势在必行。在此背景下,EC基电解液添加剂作为电池性能改善剂,通过对电解液物理及化学性质进行优化,可从根本上提高锂离子电池循环性能、安全性能、高温性能及充放电性能。为此应对EC基电解液添加剂对锂离子电池性能的影响进行深入探讨,对比不同添加剂的效果,分析FEC、VC和CEC等添加剂对锂离子电池性能的影响,为锂离子电池广泛应用提供支持。

功能电解液添加剂对高电压锂离子电池的影响及界面作用机理研究

为了深入分析功能电解液添加剂在高电压锂离子电池中的作用效果,揭示界面作用机理。采用实验设计及结果分析相结合的方法系统地研究添加剂对电解液物理、化学性质的调节作用及添加剂对于电池循环稳定性、能量密度等性能的影响。结果发现特定添加剂可以有效地改善界面微观结构、加快界面反应动力学进程、显著提高电池性能等,从而为高性能电池研究与开发提供新的思路与理论依据。

锂离子蓄电池有机电解液添加剂

有机电解液添加剂是近年来锂离子蓄电池研究中的一个热点。综述了锂离子蓄电池有机电解液添加剂的一般特点 ,并从主要用以改善电极SEI膜性能的添加剂、主要用以提高电解液电导率的添加剂、过充电保护添加剂、主要用以改善电池安全性的添加剂和主要用以控制电解液中酸和水含量的添加剂五个方面综述了当前锂离子蓄电池有机电解液添加剂的研究现状。重点论述每一种添加剂作用机理、特点以及它们在锂离子蓄电池有机电解液中的应用研究现状 。

腈基功能化有机硅电解液添加剂对LiFePO4电池低温性能的影响

合成了一种腈基功能化有机硅化合物3-氰乙基-二乙氧基-甲基硅烷(DESCN),并对其化学结构和电化学窗口进行了表征.采用恒流充放电、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)及电化学阻抗谱(EIS)等方法研究了DESCN添加剂对LiFePO4电池低温性能的影响.结果表明,DESCN化合物能够在电极表面参与形成更薄、更均匀且致密的固体电解质界面(SEI)膜,抑制电解液副反应的发生,减小界面膜阻抗,有利于低温下电极/电解液界面的Li^+扩散和电荷转移,从而提高LiFePO4电池的低温性能.

高压锂离子电池电解液添加剂研究进展

普通锂离子电池电解液在高电压下的氧化分解限制了高压锂离子电池的发展,为了解决这一问题,需要设计、合成新型的耐高压电解液或寻找合适的电解液添加剂,然而从经济效益考虑,发展合适的电解液添加剂来稳定电极/电解液界面更加受到研究者们的青睐。本文综述了最近几年在高压锂离子电池电解液添加剂方面的研究进展,并按照添加剂的种类将其分为6部分进行探讨:含硼类添加剂、有机磷类添加剂、碳酸酯类添加剂、含硫添加剂、离子液体添加剂及其它类型添加剂。分别对这些添加剂的作用机理、作用效果进行阐述,展望了添加剂在高压锂离子电池中的发展前景及未来研究方向。

二氟草酸硼酸钠作为钠离子电池非水电解液添加剂的电化学性能

引入电解液添加剂是提升钠离子二次电池电化学性能的重要途径.本文制备了二氟草酸硼酸钠(NaDFOB),并作为NaClO_4/碳酸乙烯酯(EC)/碳酸丙烯酯(PC)(EC:PC体积比为1:1)非水电解液的添加剂,分别考察了其加入量对于电导率特性、电化学氧化分解电压的影响,以及应用于Na Ni0.5Mn0.5O2半电池的电化学性能.结果表明,Na DFOB作为添加剂时对于NaClO_4/EC/PC电解液电导率提升不明显,但显著提升了电解液的氧化分解电压;以添加0.025 mol·L^(-1)Na DFOB的电解液应用于Na Ni0.5Mn0.5O2半电池时,首周不可逆比容量由22 m Ah·g^(-1)下降到9 m Ah·g^(-1),同时0.2C倍率下循环200周容量保持率由44.4%提升到89.5%,平均每周容量衰减为0.06 m Ah·g^(-1).因此,Na DFOB可以作为钠离子电池非水电解液的一种有效添加剂.

铅酸蓄电池电解液添加剂的研究

研究了铅酸蓄电池电解液中加入添加剂对电池性能的影响。通过测定电池放电容量、充电接受能力、极化曲线及荷电保持能力 ,比较了在电解液中加入E、F两种添加剂和不加添加剂的电池性能。结果表明 :在电解液中加入E、F添加剂后 ,电池的充电接受能力尤其是低温充电接受能力得以大大改善 ,并提高了负极析氢过电位 ,从而降低了电池贮存过程中的自放电。

电解液添加剂对金属锂电极的表面改性

为了提高金属锂二次电池中锂电极的性能,在电解液中添加了不同比例的1,4-二氧六环,测试了Li-LiCoO2扣式电池的性能。结果表明,在电解液中添加质量分数2%的1,4-二氧六环可使锂电极循环寿命大大增加,利用率增加10%,放电平台提高约100mV。与用1,4-二氧六环进行表面预处理电池相比,利用率和循环寿命差不多,但高次循环的放电平台可增加约80mV。而且,添加质量分数2%的1,4-二氧六环后电池的大电流放电性能也较好。

电解液添加剂和铅酸蓄电池负极钝化问题

铅酸蓄电池负极表面钝化，严重影响了大电流放电时电池的放电容量及循环寿命。铅酸蓄电池负极硫酸盐钝化膜理论认为，Ｐｂ／ＰｂＳＯ４电极的钝化过程分为两种：稳态钝化和非稳活钝化。目前研究发现防止负极钝化的电解液添加剂主要有三种类型：络合型、吸附型、共晶型。从添加剂的损耗、正极活性物质的脱落及自放电等角度的上述三种类型的添加剂进行了探讨。

一种新型锂电池双功能电解液添加剂的研究

通过循环伏安法、充放电实验、过充和可燃性实验、差示扫描量热法(DSC)测试分析对4-溴-2-氟苯甲醚(BFMB)用作锂离子电池电解液的新型双功能添加剂进行了研究。结果表明过充时BFMB在4.6 V发生电聚合反应生成聚合物膜,从而阻止了电压的升高。这种添加剂不仅可以降低电解液的可燃性,而且提高了锂离子电池的热稳定性。对锂离子电池的正常循环性能基本没有影响。因此,这种添加剂可以用作锂离子电池双功能电解液添加剂,达到过充保护和阻燃双重效果。

电解液添加剂对锌电极性能的影响

研究了碱性介质中电解液添加剂二乙胺和三乙胺的混合物对锌电极性能的影响。氧化锌溶解度测试和循环伏安测试的研究结果表明,添加二者的混合物可以降低ZnO在电解液中的溶解度,从而减缓锌电极的变形和枝晶;添加合适比例的二者混合物可以提高锌电极的循环稳定性。当添加0.3%wt二乙胺+0.3%wt三乙胺时效果最好。

铅酸电池电解液添加剂GAT研究

通过恒电流放电曲线的测定，研究共晶型电解液添加剂ＧＡＴ的添加量对铅酸电池大电流（１１Ａ）放电性能的影响。并用扫描电镜（ＳＥＭ）观察了负极片的表面形貌，初步探讨了添加剂的可能作用机理。结果表明：加入５～１０ｇ／Ｌ的ＧＡＴ，电池的循环寿命延长了６１％～７６％。

聚合物电解液添加剂对锂硫电池性能的影响

采用聚乙二醇二甲醚(PEGDME)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚氧化乙烯(PEO)作为聚合物电解液添加剂,通过充放电测试研究了这些添加剂对锂硫电池电化学性能的影响。研究结果表明,添加2%(质量分数)电解液添加剂PVP能有效提高锂硫电池的循环性能和库仑效率,在电流密度为200 m A/g下,前50次的电池放电容量保持率由42.8%提高到50.8%,首次循环库仑效率由60.2%提高到95.3%。

铅酸蓄电池PAB电解液添加剂的研究

采用循环伏安、电池容量测量等方法考察了PAB电解液添加剂对电池性能的影响。试验结果表明 :PAB添加剂可以提高约8 %的初始容量 ,能量密度提到35Wh/kg左右 ,电池连续工作时还可以提高循环寿命 ,但间断工作时可能会缩短循环寿命。此外 ,电池自放电较大。

气相Si0_2电解液添加剂对阀控铅酸电池充放电性能的影响

本文采用气相二氧化硅作为硫酸电解液添加剂,研究了其对阀控铅酸蓄电池2小时率充放电容量、大电流充放电性能、搁置性能及低温性能的影响,结果表明:气相二氧化硅提高了铅酸蓄电池在上述各种情况的充放电容量及功率,其中在电解液中添加质量分数为5%的气相二氧化硅的铅酸电池,具有最好的电化学性能。气相二氧化硅减少了铅酸蓄电池欧姆极化与电化学极化,从而改善了电解液性能,提高了蓄电池的电化学性能。