磷酸亚铁锂正极材料与不同电解液体系的相容性研究

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锂离子电池由于其优良的性能如高能量密度和良好的循环性能,已广泛应用于移动电话、摄像机和笔记本电脑等便携式电子设备。正极材料和锂离子电池的初始容量有较大的关系并且在防止容量衰减方面扮演重要的角色。橄榄石型的LiMPO4(M=Fe、Mn、FevMn1-y、Co、Ni)具有优良的电化学性能,适合做锂离子二次电池的正极材料,自1997年goodenoughs课题组首次报道了LiFePO4是一种有潜力的正极材料,其具有比容量高(170mAh/g)、循环性能优良、高温充放电性能好、原料来源广泛、无环境污染、材料的热稳定性好、所制备电池的安全性能突出等优点,使其在各种可移动电源领域,特别是动力电池领域有着极大的市场前景,成为材料界的研究热点,但是导电性差(10-9-10-10S·cm-1)是其商品化过程中必须克服的障碍之一。 本文主要研究并比较了橄榄石型正极材料磷酸亚铁锂在传统电解液中的电化学性能,通过更换不同锂盐,扩大有机溶剂的种类;以及研究了与离子液体TMHA-TFSI电解液体系的相容性,通过添加不同含量的有机溶剂,以改善其在纯离子液体中的电化学性能,并通过扫描电镜SEM微观手段探讨其内部结构的变化原因,并且通过LiFePO4在不同充电电压上限时的测试,了解了影响电池电化学性能的主要原因。主要实验结论如下: (1)在更换不同锂盐和不同溶剂所组成的电解液中,电极材料在1M LiClO4/EC-DMC和1M LiPF6/EC-DMC电解液中的电化学性能较好。其中在1M LiClO4/EC-DMC电解液中充放电容量最高,而在1M LiBF4/EC-DMC电解液中的充、放电容量最低。这和锂盐本身和电解液的电导率有较大的关系。 (2)在1M LiClO4/混合溶剂体系中,比较电极在六种不同混合溶剂所组成的电解液中电化学性能测试发现,PC的加入所构成的三元混合溶剂,在小电流密度下对材料的首次充放电容量和库仑效率的影响较小。但是大电流密度时增加了电极的极化现象,其循环性能不如二元混合溶剂所构成的电解液。 (3)在30℃、0.0.mV/s时在TMHA-TFSI离子液体中,加入一定量的有机溶剂时,电极材料的充放电容量和循环性能均比在纯离子液体中好,在1MLiTFSI/TMHA-TFSI+40%PC的电解液中,电化学性能最好。 (4)在不同的充电电压上限时,电极表面有不同的界面电阻,并且随着充电电压上限的增加,界面电阻增加,对电极的倍率性能不利,充电电压上限控制在3.5V-4.5V的范围内,对磷酸亚铁锂放电容量的影响不大,但高电位条件下,特别是4.3V以上易于引发电极过程的副反应。
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