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能提升動力電池NMC532材料循環(huán)性能的電解液

鉅大LARGE  |  點擊量:1268次  |  2018年09月14日  

三元材料是目前動力電池常用的正極材料之一,特別是NMC材料由于成本低、容量高的優(yōu)點,更是成為了動力電池廠家追逐的明星材料。但是NMC材料循環(huán)性能較差,特別是高鎳含量的NMC材料循環(huán)較差,嚴重影響了三元材料電池的使用壽命,限制了其在汽車上的應(yīng)用。

相關(guān)研究顯示,NMC材料循環(huán)壽命差主要與過渡金屬的溶解有關(guān),特別是Mn元素的溶解會對電池造成嚴重的影響。Mn元素的溶解不僅會造成正極材料的結(jié)構(gòu)破壞,穩(wěn)定性降低,溶解的Mn元素在負極沉積,Mn元素會促進電解液的分解,導(dǎo)致SEI膜的增厚,從而使得負極的阻抗上升、庫倫效率下降,從而造成電池的循環(huán)性能下降。

提升NMC材料循環(huán)性能的手段主要分為兩大類:表面包覆類和元素摻雜類。其中表面包覆又分為材料自身包覆處理(例如AlPO4)和電解液添加劑形成正極表面包覆層兩種方法。元素摻雜是通過摻入少量的金屬元素,提高NMC材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,減少過渡元素的溶解。

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華南師范大學(xué)的HaiboRong等人研發(fā)了一種全新的電解液添加劑,僅需要添加0.25%就能夠顯著的改善NMC532材料在高電壓下的循環(huán)穩(wěn)定性。該種添加劑能夠同時在正極和負極上形成保護膜,為電極提供保護,從而有效的減少了過渡金屬的溶解和電解液的分解,提高了電池的循環(huán)性能。

HaiboRong利用石墨/LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2電池,研究了一種全新的電解液添加劑1,10-硫酰二咪唑(SDM)在4.5V電壓下的性能。EC、EMC和DEC以質(zhì)量比3:5:2配制的電解液作為對照組,實驗組電解液在上述電解液的基礎(chǔ)上添加了一定量的SDM。

循環(huán)伏安掃描顯示SDM在3.8V就開始分解,而電解液則需要在4.5V才開始分解,從而能夠先于電解液發(fā)生氧化起到保護電解液的作用。

在還原的過程中SDM在1.3-1.5V就開始分解,在石墨表面形成SEI膜,從而抑制了電解液在0.5V左右的分解。從電池的循環(huán)結(jié)果上可以看到0.25%的SDM顯著的改善了電池的循環(huán)性能,50次循環(huán)容量保持率可達96.9%,但是當添加量提高到0.5%時,電池的容量保持率僅有87.9%,但是仍然高于對照組電解液的73.1%。

但是由于SDM的分解,會造成電池的首次效率輕微的下降,對照組的首次效率為72.75%,SDM添加量為0.25%和0.5%的實驗組的首次效率分別為70.86%和63.35%,但是在循環(huán)后期,實驗組的庫倫效率要明顯高于對照組電池。同時SDM的使用減少了NMC532材料在循環(huán)過程中的容量損失和電壓衰降。

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交流阻抗顯示通過添加SDM,電池的阻抗明顯的下降,表明SDM添加劑通過在正負極成膜可以顯著減少電解液的分解,降低電池的阻抗。同時SDM也能顯著的改善NMC電池的高溫存儲性能,充電至4.5V,在55℃下進行存儲,對照組電池在開始的時候電壓均勻下降,但是從第17天開始,電壓突然從4.3V下降到0.7V,而添加SDM添加劑的實驗組電池則未發(fā)生電壓突降。

SDM通過在正極和負極同時成膜,保護了正極和負極材料,減少了電解液的氧化分解和還原分解,提高了電池的循環(huán)性能。SDM在正極成膜能夠很好的保護高鎳正極材料,減少NMC532材料在高溫下過渡金屬元素的溶解,從而提高電池的高溫存儲性能。

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