鋰離子電池SEI膜組分拉曼光譜的密度泛函理論及正極材料的實驗研究.pdf

1、鋰離子電池作為當(dāng)代化學(xué)電池最先進(jìn)技術(shù)的代表之一，具有能量密度大、使用壽命長和無污染等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用也越來越廣泛。鋰離子電池電極材料表面固體電解質(zhì)中間相(Solid Electrolyte Interphase，也叫做SEI膜)的物理和化學(xué)性質(zhì)在很大程度上影響了鋰離子電池的充電效率、循環(huán)性、功率特性、儲存壽命以及安全性等電化學(xué)性能，因此SEI膜的研究在鋰離子電池中具有重要的意義。 前人對SEI膜組分和結(jié)構(gòu)研究的實驗手段主要有：FT-

2、IR、HRTEM、XPS和TPD-GC/MS等，這些技術(shù)能提供非原位(ex-situ)的信息。盡管FT-IR技術(shù)能夠?qū)饘黉嚤砻婧头腔钚缘碾姌O(Pt，Au，Ni等)進(jìn)行原位(in-situ)研究，但由于必須采用反射方式，當(dāng)樣品反射面為粗糙電極時，大大減弱了收集到的反射信號等原因而受到諸多的限制。以上對成分分析的紅外光譜和能譜不足以區(qū)分所有物種的結(jié)構(gòu)又不能提供吸附態(tài)的信息。因此，對鋰離子電池固體電解質(zhì)膜的研究還需要開發(fā)出新的實驗手段。

3、 表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)可以向我們提供SEI膜的結(jié)構(gòu)、表面吸附物種和吸附態(tài)的信息，這將為改善鋰離子電池的性能提供新的依據(jù)。作為一種原位研究方法，拉曼光譜是探測相變和表征樣品成分的有效手段，已應(yīng)用于一些鋰離子電池電極材料(如石墨、LixV2O5、LiMn2O4等)隨著鋰離子的嵌入和脫嵌其晶格的演化過程。本小組已經(jīng)首次用SERS的方法在銀電極表面成功得到了SEI膜高質(zhì)量的表面增強(qiáng)拉曼光譜，并對某些鋰離子電池負(fù)極和正極材料的SEI膜

4、成分進(jìn)行了表征：碳酸鋰(Li2CO3)、氫氧化鋰(LiOH·H2O)和氟化鋰(LiF)是其中經(jīng)常出現(xiàn)的穩(wěn)定成分，其他不穩(wěn)定的成分還有鋰鹽，烷基鋰(RLi)、烷氧基鋰(ROLi)和烷基脂鋰(ROCO2Li)，我們的研究還進(jìn)一步指出了其中R的具體形式。我們研究組還在用SERS方法研究SEI膜成分在不同充放電狀態(tài)下的變化規(guī)律方面取得了一些研究成果。 本論文的研究內(nèi)容主要有以下三個方面： 1.用拉曼光譜方法研究鋰離子電池電極材料

5、表面SEI膜的組分及特性，就需要對拉曼光譜有一定的認(rèn)識。因此本論文首先采用拉曼光譜原位研究了鋰離子電池正極材料尖晶石LiMn2O4在拉曼光譜測量過程中隨著激光功率逐漸增大而引發(fā)樣品局域溫度升高帶來的結(jié)構(gòu)變化。 2.甲醇鋰和乙醇鋰作為鋰離子電池常用溶劑碳酸二甲酯(DMC)和碳酸二乙酯(DEC)的還原產(chǎn)物，是鋰離子電池SEI膜物種可能成分中最簡單的兩種分子。前人研究證明在烷氧基鋰(ROLi)中鋰原子直接和氧原子相連而形成O-Li健，

6、我們依此構(gòu)造出甲醇鋰和乙醇鋰的分子構(gòu)型。本文用密度泛函理論(DFT)計算出甲醇鋰和乙醇鋰的振動頻率，對計算所得的振動頻率進(jìn)行了簡正坐標(biāo)分析，從而根據(jù)各頻率的勢能分布進(jìn)行了歸屬指認(rèn)，并對拉曼振動模式進(jìn)行了討論。 3.大量文獻(xiàn)表明：SEI膜的主要組分除了Li2CO3、LiOH·H2O和LiF外，還有多種RLi、ROLi和ROCO2Li等不穩(wěn)定化合物存在。由于鋰鹽組分復(fù)雜且不穩(wěn)定，難以從實驗結(jié)果中直接確認(rèn)R的具體形式。通過文獻(xiàn)調(diào)研，分