鋰離子電池高壓電解液應(yīng)用及電化學(xué)性能分析

伍沛亮，李沫林（.佛山中國(guó)科學(xué)院產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣東佛山 5800；.一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司，廣東佛山 585）

鋰離子電池高壓電解液應(yīng)用及電化學(xué)性能分析

伍沛亮1，李沫林2
（1.佛山中國(guó)科學(xué)院產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣東佛山 528200；2.一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司，廣東佛山 528225）

在鋰離子電池中電解液是傳遞鋰離子的載體，正是通過(guò)電解液實(shí)現(xiàn)電池正極、負(fù)極及隔膜的連接，由此可見(jiàn)，電解液的品質(zhì)會(huì)直接影響鋰離子電池的性能。傳統(tǒng)水系電解液的理論分解電壓僅1.23V，所以鉛酸蓄電池主要應(yīng)用水系電解液其最高電壓僅為2V，而鋰離子電池工作電壓至少在3～4V，因此研究鋰離子電池高壓電解液的應(yīng)用及電化學(xué)性能具有重要意義。以磷酸鐵鋰離子電池（LiFePO4）使用草酸二氟硼酸鋰（LiBC2O4F2）基電解液為例，分析LiBC2O4F2的電化學(xué)性能。

鋰離子電池；高壓電解液；電化學(xué)性能

1 鋰離子電池電解液應(yīng)用要求

傳統(tǒng)水系電解液不適用于鋰離子電池，鋰離子電池電解液必須應(yīng)用電化學(xué)窗口更寬的非水電解液體系，至少要達(dá)到以下幾點(diǎn)要求：在較寬的溫度范圍內(nèi)電解率要保持較高的水平及穩(wěn)定的性能；在較寬的溫度范圍內(nèi)具有良好的穩(wěn)定性，不會(huì)發(fā)生分解、其它化學(xué)反應(yīng)等；具備較寬的電化學(xué)窗口，在0～5V之間可保證電解液不會(huì)出現(xiàn)顯著副反應(yīng)為宜；電解液與電極材料的相容性好，保證形成的鈍化膜穩(wěn)定、有效；閃點(diǎn)高，易燃性差，具備較高的安全性；低毒或無(wú)毒且造價(jià)低，不會(huì)對(duì)人體造成危害，且不會(huì)增加過(guò)多的生產(chǎn)成本。在整個(gè)鋰離子電池中電解液占整個(gè)電池質(zhì)量的15%，且電解液的性能會(huì)對(duì)鋰離子電池的容量及循環(huán)性能起到?jīng)Q定性作用。

2 鋰離子電池電解液的組成

鋰離子電池電解液通常包括3個(gè)部分。其中鋰鹽的主要作用是為電荷傳遞提供鋰離子，有機(jī)溶劑為溶劑化鋰離子的產(chǎn)生提供基礎(chǔ)，添加劑則用于改善電池的某些性能等。雖然鋰鹽的種類很多，但適用于鋰離子電池的鋰鹽必須具備以下條件：在有機(jī)溶劑中易解離，有足夠高的溶解度才能保證足夠的電導(dǎo)率；鋰鹽陰離子不得與電解液發(fā)生有害副反應(yīng)，即具備較好的耐氧化性及還原性，并且陰離子的還原產(chǎn)物要對(duì)SEI膜的形成起到促進(jìn)作用；無(wú)毒無(wú)污染，造價(jià)成本低，制備簡(jiǎn)單。有機(jī)溶劑的主要作用是解離鋰鹽，提供鋰離子載體，溶劑的性能直接決定電解液的性能，而鋰離子電池電解液溶劑必須滿足以下條件：可溶解足夠多的鋰鹽，保證鋰離子濃度，實(shí)現(xiàn)較高的介電常數(shù)；粘度低，易于鋰離子傳輸；與正負(fù)極有較好的兼容性，不會(huì)影響正負(fù)電極結(jié)構(gòu)；液程寬，在較寬的溫度內(nèi)保持液態(tài)，高沸點(diǎn)低熔點(diǎn)；低毒且成本低。鋰離子電池電解液添加劑的主要作用是改善電池循環(huán)性能、可逆容量、電解液的導(dǎo)電率等性能，相比鋰鹽及有機(jī)溶劑而言，雖然添加劑的用量少，但其改善電池某些性能的效果十分顯著，當(dāng)然要求添加劑不得與電池正負(fù)極發(fā)生副反應(yīng)，不會(huì)從負(fù)面影響電池性能；在有機(jī)溶劑中溶解度高，且低毒成本低。

3 LiBC2O4F2電解液電化學(xué)性能測(cè)試

在鋰離子電池電解液研究中，通常通過(guò)測(cè)試電解液的電導(dǎo)率、循環(huán)伏安、電化學(xué)阻抗等三項(xiàng)指標(biāo)對(duì)電解液的電化學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。電導(dǎo)率的物理意義即物質(zhì)的導(dǎo)電性能，電導(dǎo)率越大，物質(zhì)的導(dǎo)電性能越高，因此在鋰離子電池中電解液的電導(dǎo)率會(huì)直接影響到鋰離子的遷移阻力及電池倍率充放電性能。循環(huán)伏安是一種常用的研究電極氧化還原過(guò)程的電化學(xué)測(cè)試方法，電解液化學(xué)性能測(cè)試中可用該方法測(cè)試電解液的氧化電位。電化學(xué)阻抗測(cè)試主要研究電極與電解質(zhì)界面的反應(yīng)。本研究以LiBC2O4F2基電解液為例，與LiPF6對(duì)比分析LiBC2O4F2的電化學(xué)性能。

3.1 測(cè)試方法

應(yīng)用上海產(chǎn)CHI660A電化學(xué)工作站對(duì)電解液在鋁箔上的氧化分解電位進(jìn)行測(cè)試，鋁箔為工作電極，鋰片為對(duì)電極及參比電極，掃描速度1mV/S，掃描范圍2.5～6.5V；電解液導(dǎo)電率應(yīng)用3107實(shí)驗(yàn)室電導(dǎo)率儀進(jìn)行測(cè)試，三電極電池的循環(huán)伏安曲線、交流阻抗譜采用CHI660A電化學(xué)工作站進(jìn)行測(cè)試；雙電極扣式電池的充放電性能、循環(huán)性能采用BS9300二次電池性能測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。充電終止電壓4.0，放電截止電壓2.7V；溫度25℃和60℃。

3.2 測(cè)試結(jié)果

3.2.1 電解液的穩(wěn)定性

采用線性掃描伏安法測(cè)試電解液對(duì)正極集流體的電化學(xué)穩(wěn)定性，首次掃描LiBC2O4F2的陽(yáng)極電流由4.25V逐漸增加，掃描電位越大，電流增加幅度就越大；而二次掃描時(shí)則從6.00V開(kāi)始大幅增加；由此可見(jiàn)LiBC2O4F2在鋁箔上生成了一層氧化物薄膜，對(duì)其在鋁箔上高電位時(shí)的氧化反應(yīng)可起到抑制作用。

3.2.2 循環(huán)伏安曲線

在25℃環(huán)境下，LiBC2O4F2與LiPF6保持基本相似的循環(huán)伏安曲線，但LiBC2O4F2電解液電池峰電位差更大，還原峰與氧化峰峰電流相近；在60℃環(huán)境下LiBC2O4F2循環(huán)伏安曲線保持較好的穩(wěn)定性，而LiPF6氧化還原峰則分裂為多個(gè)峰值，證明其可能出現(xiàn)分解反應(yīng)，因此LiBC2O4F2在高溫環(huán)境下其循環(huán)伏安曲線更加穩(wěn)定。

3.2.3 交流阻抗

由使用LiBC2O4F2電解液的三電極模擬電池交流阻抗譜可知，LiBC2O4F2電解液的電池電荷轉(zhuǎn)移電阻較低，在25℃時(shí)循環(huán)次數(shù)增加，電池界面電荷傳輸反應(yīng)阻抗也越大；在電池充放電過(guò)程中電極材料表面會(huì)形成一層表面膜，多次循環(huán)會(huì)使表面膜逐漸變厚，從而阻抗也不斷增加；在60℃環(huán)境下，電池界面電荷傳輸反應(yīng)阻抗與循環(huán)次數(shù)同樣呈正相關(guān)。

上述測(cè)試中，LiBC2O4F2電解液電池穩(wěn)定的循環(huán)伏安曲線表明其具有優(yōu)良的可逆性，而交流阻抗譜表明LiBC2O4F2電解液電池電荷轉(zhuǎn)移電阻較低，證明其在高溫環(huán)境下仍能保持良好的電化學(xué)性能。

[1] 姚曉林，田超，陳春華.氯代磷酸酯作為鋰離子電池電解液阻燃添加劑的性能研究[J].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，（4）.

[2] 郝迷花.鋰離子電池電解液阻燃添加劑的研究與應(yīng)用[J].平原大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，（2）.

Application and Electrochemical Performance Analysis of High Voltage Electrolyte for Lithium Ion Batteries

Wu Pei-liang，Li Mo-lin

Electrolyte is the carrier of lithium ion in lithium ion battery.It is through the electrolyte that the positive pole，the negative pole and the separator of the battery are connected.Thus，the quality of the electrolyte directly affects the performance of the lithium ion battery.The traditional electrolytic solution of the traditional theory of electrolysis voltage is only 1.23V，so the main application of lead-acid battery electrolyte is the maximum voltage of only 2V，while the lithium-ion battery voltage at least 3-4V，so the study of high-voltage lithium-ion battery electrolyte And electrochemical properties.The electrochemical performance of LiBC2O4F2was studied by using lithium difluoroborate（LiBC2O4F2）as the electrolyte，using lithium iron phosphate（LiFePO4）as the electrolyte.

lithium ion battery；high voltage electrolyte；electrochemical performance

TM912.9

B

1003-6490（2016）12-0086-02

2016-11-15

伍沛亮（1985—），女，廣東云浮人，工程師，主要研究方向?yàn)樾虏牧?、新能源?/p>