锂离子动力电池电解液氧化还原穿梭添加剂的研究

摘要

近几年来，氧化还原穿梭限压添加剂的研制逐渐成为锂离子蓄电池限压一致性的研发重点，该种方法具有以下几点优势:(1)可以在电池内部建立一种防过充过放的电化学自我保护机制，在发挥保护作用的过程中，不会对电池体系造成任何不可逆损害，对电池的保护作用是可恢复性的;(2)穿梭所起的电化学反应是可逆的，因此，穿梭的添加量少，使用寿命长;(3)制造工艺简单，生产成本低。
　　目前，电池一致性问题一直限制着我公司锂离子二次电池在笔记本电脑、电动工具、电动汽车等领域中的发展，特别是在电动汽车等大型动力系统中各单体电池的电压一致性是我们迫切需要解决的问题。鉴于上述情况，我们开展了氧化还原穿梭添加剂研究，目的开发出几种可应用于实际LiFePO4/C电池体系的氧化还原穿梭添加剂。
　　在第一阶段的研究工作中，我们探讨了氧化还原穿梭作用的动力学过程、其在石墨负极上的得失电子原理以及在实际电池组中的作用效果，初步筛选了十种4V级氧化还原穿梭添加剂，分别对其物理特性、电化学性能、限压性能及电池的常规性能进行了实验研究。对比结果表明，噻蒽具有合适的氧化还原电位，较高的分解反应速率，对电池其它电性能和安全性能没有影响，是一种优良的LiFePO4/C电池体系电解液氧化还原穿梭添加剂。
　　在第二阶段的研究工作中，深入研究了噻蒽限压能力的发挥、衰减、恢复、受外界因素的影响程度，总结了噻蒽在一些实际电池产品中的应用结果，实验验证了噻蒽消耗后对电池常规性能的影响。研究表明噻蒽是一种适用于LiFePO4/C电池体系的氧化还原穿梭限压添加剂，可显著提高串联电池组中单体电池的一致性。通过模拟笔记本电脑长时间待机过程的实验发现，噻蒽在循环使用的过程巾，损失衰减速度相对较慢，具有良好的循环使用寿命，从而使得电池组具有优异的循环性能。虽然，噻蒽的限压内能力受过充电流大小和环境温度的双重影响，但可通过提高添加剂浓度、减小极片及隔膜厚度等方法，提高氧化还原穿梭的分子扩散速率，从而改善穿梭在不同电流和温度下的限压性能。此外，噻蒽的在电池体系内的引入，不仅对电池的常规性能（特别是自放电性能）没有任何不利影响，而且，当噻蒽的限压作用消耗殆尽后，噻蒽添加剂在“氧化一还原”循环过程中产生的不可逆反应副产物，亦不会对电池的常规性能有任何不利影响。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 锂离子电池概述

1．1．1 锂离子电池发展及市场形式

1．1．2 锂离子电池基本原理

1．1．3 锂离子电池的正极材料

1．1．4 锂离子电池的负极材料

1．1．5 锂离子电池的电解液

1．2 锂离子电池的过充性能及过充添加剂

1．2．1 过充对电池性能的影响以及其机理

1．2．2 锂离子电池过充的几种保护措施

1．2．3 锂离子电池电解液过充添加剂的满足条件

1．2．4 过充添加剂的作用机理

1．2．5 电聚合添加剂实例

1．2．6 氧化还原对添加剂实例

1．3 论文研究工作设计

第二章 氧化还原穿梭添加剂的筛选

2．1 引言

2．1．1 锂离子电池限压措施

2．1．2 氧化还原穿梭作用的动力学过程分析

2．1．2 氧化还原穿梭在碳材料负极表面的得失电子原理

2．1．3 氧化还原穿梭的实际应用效果模拟

2．2 实验部分

2．2．1 配制含有氧化还原添加剂的电解液

2．2．1 电解液离子电导率测试

2．2．3 交流阻抗测试

2．2．4 循环伏安测试

2．2．5 实际电池的制作

2．2．6 电池性能的测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 电解液离子电导率测试

2．3．2 交流阻抗测试

2．3．3 循环伏安测试

2．3．4 实际电池的制作结果

2．3．5 实际电池常规性能测试结果

2．4 本章小结

第三章 噻蒽氧化还原穿梭添加剂的应用

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 含噻蒽的电解液溶液的配制

3．2．2 电解液离子电导率测试

3．2．3 电化学测试

3．2．4 实验电池的制作

3．3 结果与讨论

3．3．1 电解液的电导率测试

3．3．2 扣式电池的循环伏安过程分析

3．3．3 三电极电池的充放电曲线分析

3．3．4 添加噻蒽的单体电池的限压性能研究

3．3．5 噻蒽添加剂对组合电池的限压能力研究

3．3．6 噻蒽添加剂在电池产品中的应用

3．3．7 噻蒽添加剂对电池自放电性能的影响

3．3．8 噻蒽添加剂消耗后，产物对电池体系的影响

3．4 本章小结

第四章 全文总结

参考文献

致谢

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