鋰金屬電池中隔膜潤濕性研究.pdf

1、鋰金屬電池具有比鋰離子電池更高的能量密度。但鋰金屬負極存在的鋰枝晶問題限制了鋰金屬電池的實用化。隔膜-電解液界面潤濕性顯著影響鋰金屬電池性能，特別是鋰枝晶的生長。一方面，良好的隔膜潤濕性有利于鋰離子在隔膜微孔中的傳導，從而減小電池內(nèi)阻;另一方面，良好的隔膜潤濕性有利于改善鋰金屬負極表面電流分布，促進鋰金屬在電極表面均勻沉積/脫出從而避免產(chǎn)生枝晶。本論文主要圍繞隔膜-電解液界面潤濕性展開研究。首先研究了電解液對隔膜潤濕性的影響;其次開發(fā)了

2、氟代醚、痕量水以及三嵌段有機非離子表面活性劑作為電解液添加劑來改善隔膜-電解液界面潤濕性;最后考察了上述添加劑對鋰金屬電池電化學性能的影響以及在抑制鋰枝晶上的應用。主要包括以下內(nèi)容:
　　第一章首先介紹了鋰金屬電池研究背景及研究進展，其次介紹了隔膜潤濕性對電池性能的影響并綜述了改善隔膜潤濕性的一般方法。
　　第二章主要介紹了本論文涉及到的實驗藥品、實驗設備以及實驗方法。
　　第三章1）考察了碳酸酯類有機溶劑對隔膜潤濕性

3、的影響，研究結果表明:具有高粘度和高介電常數(shù)的溶劑更傾向于獲得較差的隔膜潤濕性;2）考察了具有不同陰離子結構的鋰鹽對隔膜潤濕性的影響，研究結果表明:雙三氟磺酰亞胺鋰（LiTFSI）分子結構中由于含有極性很低的全氟烷基官能團(-CF3)能夠有效減小電解液表面張力，從而獲得良好的隔膜-電解液界面潤濕性（特別是在高粘度電解液體系中）;3）考察了當鋰鹽濃度變化時隔膜-電解液的界面潤濕性，研究結果表明:隨著鋰鹽濃度的上升，隔膜-電解液的潤濕性越來

4、越差，主要原因是電解液粘度的增加。
　　第四章開發(fā)出1，1，2，2四氟乙基-2，2，3，3四氟丙基醚（HF2C-CF2-CH2-O-CF2-CF2H，F(xiàn)-EPE）、1H，1H，5H，八氟戊基-1，1，2，2四氟乙基醚（HF2C-CF2-CF2-CF2-CH2-O-CF2-CF2H，F(xiàn)-EAE）、痕量水(200ppm)以及聚氧化乙烯-聚氧化丙烯-聚氧化乙烯(HO-CH2-CH2-(O-CH2-CH2-)20-(O-CH(CH3)-C

5、H2-)70-(O-CH2-CH2-)20-CH2-CH2-OH，P123）三嵌段非離子有機表面活性劑作為電解液添加劑來改善隔膜-電解液界面潤濕性并研究了這些添加劑對鋰金屬電池倍率和循環(huán)性能的影響。實驗結果表明:1）F-EAE和F-EPE添加量分別為2％(w/w)和5％(w/w)時對隔膜潤濕性的改善作用最佳，隔膜吸液率由原來的30％分別提高到110％和105％，F(xiàn)-EAE添加量為2％時LiFePO4‖Li電池10C(大充大放)條件下放電

6、容量由原來的40 mAh g-1提高到110 mAh g-1;2）電解液中添加200ppm水并靜置48小時后，隔膜的吸液率由原來的30％提高到100％，LiFePO4‖Li電池10C(小充大放)條件下放電容量由原來的96 mAh g-1提高到115 mAh g-1;3）P123添加量為0.2％時隔膜的吸液率由原來的30％提高到了85％，此時隔膜電導率由原來的0.045 mS cm-提高到0.50 mS cm-1。
　　第五章在Cu

7、‖Li電池體系中考察了不同比例LiPF6-LiTFSI雙鹽電解液對鋰金屬沉積形貌的影響。發(fā)現(xiàn)隨著隔膜-電解液界面潤濕性變好鋰金屬在銅箔上沉積的表面形貌由最初的針狀逐漸聚攏演變?yōu)閸u狀。本章中還考察了不同添加量的P123對枝晶的抑制作用，結果表明:P123添加量為0.2％時對枝晶的抑制作用最明顯，CV和XPS分析發(fā)現(xiàn)P123能夠在電極表面強烈吸附并作為一層“artificial SEI”對鋰金屬負極進行保護從而抑制鋰枝晶和減少界面反應。