用于可充锂硫电池的功能性电解质

摘要

锂硫电池因其较高的理论容量、对环境友好等特点而备受关注。锂硫电池也存在着一些固有的问题，影响了其应用。这些问题主要包括多硫化物的溶解、金属锂做负极导致的枝晶生长、固体电解质膜不稳定、电解液中的有机溶剂易燃易爆等。其中，复合型硫基正极材料的发展使得多硫化物在电解液中的溶解性得到了抑制，电池的循环性能大幅提升。然而锂硫电池的安全性仍然有待提升。硫和聚丙烯腈的复合正极材料在空气中具有不燃性，因而电解质和锂负极的安全性则成为了制约锂硫电池整体安全性的关键。本文旨在合成出能综合提升锂硫电池安全性及电化学性能的功能电解质，并对这些电解质进行了较为全面的电化学以及安全性方面的分析和评估。
　　本研究主要内容包括：⑴为了解决锂枝晶生长的问题，探索了具有自我修复机制的电解液在锂沉积形貌上的影响。SEM的数据证实了自愈合机制的存在。在锂的重复的沉积-溶出过程实验中，使用含六氟磷酸铯电解液的电池使得对称电池的循环寿命得到显著提升。将六氟磷酸铯应用于锂硫电池中考察其电化学性能。发现使用CsPF6对锂硫电池的充放电的稳定性有所提高，在1C的倍率下循环100次的容量保持率为平均92.4％，而对照组的为86.4%。六氟磷酸铯与氟代碳酸乙烯酯的联用将较大幅度的改善电池的循环性能。⑵为了提升电解质的抗燃性，选取亚磷酸三乙酯（TEPi）为阻燃剂，将其添加到电解液中。TEPi对电解液的可燃性的影响通过自熄时间测试（SET）来确定，在15%的TEPi存在的条件下，其自熄时间有从常规电解液的136smL-1降低到86smL-1。TEPi的加入会导致固体电解质膜的离子导通性降低，然而，由于TEPi的黏度较低，因此可以促进正极的反应活性，最终导致电解液的极化略有降低。总的来说，TEPi使得锂硫电池的电化学性能略有改善并且使得电池的安全性能得到明显提升。⑶ATP机械强度较高，而且具有不燃的性质。因此，LATP具有较高的安全性。试验了LATP在锂硫电池中的适用性。合成的LATP的室温电导率为3.436×10?41。在目前的条件下，使用LATP的锂硫电池室温下的电化学性能不甚理想。因此，还需要对LATP进行改进。⑷合成出了三种功能电解质。含六氟磷酸铯的功能电解液能够显著的抑制枝晶生长，减少锂负极和电解液的消耗，延长了电池的寿命，增强了电池的安全性。含TEPi的阻燃型的电解质可以明显的抑制电解液的燃烧，并且能够提升电池的循环性能。LATP虽然能显著的提升锂硫电池的安全性，然而，LATP的阻抗较大，必须经过改进，才能应用于锂硫电池中。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2锂离子电池概述

1.3锂硫电池

1.4本文主要研究目的及内容

第二章 实验药品、仪器及合成测试方法

2.1实验药品

2.2实验仪器

2 .3合成方法

2.4 测试方法

第三章 含六氟磷酸铯的可抑制枝晶生长的电解液

3.1引言

3.2对称电池中的自愈和机制

3.3沉积溶出寿命对比

3.4六氟磷酸铯功能电解液对电池循环性能的影响

3.5六氟磷酸铯功能电解液与成膜添加剂

3.6本章小结

第四章 亚磷酸三乙酯的阻燃性能及其对电化学性能的影响

4.1引言

4.2亚磷酸三乙酯的阻燃性

4.3亚磷酸三乙酯对电池循环性能的影响

4.4充放电曲线的对比

4.5循环伏安曲线

4.6交流阻抗谱图及等效电路分析

4.7锂离子扩散系数的测定

4.8倍率性能

4.9本章小结

第五章 Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3的合成及在锂硫电池中的应用

5.1引言

5.2 LATP的结构表征

5.3 LATP电导率的测试

5.4 LATP在锂硫电池中的应用

5.5本章小结

结束语

主要工作与创新点

后续研究工作

参考文献

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

致谢

答辩决议书