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一种改善锂离子电池高温性能的新型锂盐

2012 年启明学院特优生创新年会学术论文汇报会. 一种改善锂离子电池高温性能的新型锂盐. 国家大学生科技创新项目： 高比能 安全型锂离子电池 的研制. 汇报人： 08 级特优生郭俊 导 师：化学与化工学院 周志彬教授. 目 录. 01. 研究背景. 02. 研究内容. 03. 研究成果. 04. 致 谢. 研 究 背 景. 根据世界已探明的化石能源储量和全球开采使用速度预算，石油使用不到 40 年 ，天然气使用约 60 年 ，煤炭使用在 200 年 左右。.

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一种改善锂离子电池高温性能的新型锂盐

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Presentation Transcript

  1. 2012年启明学院特优生创新年会学术论文汇报会2012年启明学院特优生创新年会学术论文汇报会 一种改善锂离子电池高温性能的新型锂盐 国家大学生科技创新项目：高比能安全型锂离子电池的研制 汇报人：08级特优生郭俊 导 师：化学与化工学院 周志彬教授

  2. 目 录 01 研究背景 02 研究内容 03 研究成果 04 致 谢

  3. 研 究 背 景 • 根据世界已探明的化石能源储量和全球开采使用速度预算，石油使用不到40年，天然气使用约60年，煤炭使用在200年左右。 • 传统的化石燃料使用基本上是通过燃烧，燃烧会释放SO2、氮氧化物NOx及CO2等大气污染物，造成酸雨和温室效应。 • 汽车尾气排放的主要污染物为一氧化碳（CO）、碳氢化合物（CH）、氮氧化物（NOx）、铅（Pb）等，汽车废气占城市 污染源65%。

  4. 解 决 方 案 开发新型的绿色能源 (核能 风能 太阳能) 能源危机 环境污染 研制新型的大功率、高密度的储能器件 （锂离子电池 超级电容器）

  5. 锂离子电池的原理 • 放电时，Li+从负极脱出经过电解质溶液进入正极，同时电子从负极经外 电路流出输出电流使外联设备工作； • 充电时，Li+则从正极脱出，经过电解质溶液再返嵌回负极，电子则在外 加电源的驱动下由正极流入负极，完成充电

  6. 锂离子电池的应用 LOGO

  7. 锂离子电池的应用 “十二五”中国新能源汽车发展规划 • 2012年中国混合动力汽车将达到50万辆，中国纯电动汽车达到10万辆 • 2020年中国混合动力汽车达到1800万辆，中国纯电动汽车达到400万辆 日本三菱iMiEV 电动汽车 的锂电池组 330V 16KWh 动力电池组由几百到几千个单体电池通过串并联组合而成，工作过程中产生大量热量使得电池工 作环境温度升高 高温循环是动力电池 必须解决的问题 传统电解液无法满足

  8. 传统锂离子电池电解液 锂离子电池电解液中，导电锂盐是电解液的核心技术，也是制约中国乃至全球锂电产业发展的关键技术瓶颈。目前使用最为广泛和普遍的导电锂盐是LiPF6。 • LiPF6分解产生PF5，室温下是个动态平衡 • LiPF6和电解液中的水分反应产生POF3和HF • 上述两个反应产生的PF5破坏电解液以及电极 表面结构 • 上述两个反应产生的HF破坏电极材料表面形 成的保护膜 (SEI膜)，并产生热量，导致燃烧 和爆炸 • 上述反应在高温下急剧变化

  9. 新型锂盐的发展 为了解决传统锂离子电池的高温技术瓶颈，学界和产业界都在寻找合适的新型锂盐 LiBOB及相关衍生物在现有电解液用 碳酸酯溶剂中溶解性差、对水不是很 稳定、很难合成高纯度的盐 LiPF6的改性产物Li[(C2F5)3PF3] (LiFAP) 和 LiPF4(C2O4) (LiF4OP)合成与纯化困难造价昂贵，难以实现产业化 全氟烷基磺酰亚胺型的LiTFSI和LiBETI在 高电位下对Al集流体有严重的腐蚀性

  10. 新型锂盐的发展 1995年，LiFSI由法国著名锂电专家Armand教授提出并应用于锂离子电池，是下一代动力电池最有潜力的锂盐，现有日本和国内苏州氟特 (华中科技大学专利)两个公司进行中试生产。 a 电导率、粘度、锂离子迁移数均以1.0 M LiFNFSI-EC/EMC (3:7 V/V) 和1.0 M LiPF6-EC/EMC (3:7 V/V) 在25 oC时测定

  11. 研 究 内 容 (氟磺酰)(全氟丁基磺酰)亚胺锂 (LiFNFSI) 的合成及性能表征 合成路线 结构表征 19F NMR (376.05 MHz; Acetone-d6; CCl3F): 56.5 (s, 1F), −81.7 (s, 3F), −113.5 (s, 2F), −121.8 (s, 2F), −126.7 (s, 2F). ESI-MS: m/z (%): 380 (100). Anal Cal: C, 12.41; N, 3.62; S, 16.57. Found: C, 12.38; N, 3.54; S, 16.48. 杂质分析 HF：0.1 ppm；H2O：80 ppm；Cl-：2.0 ppm；F-：0.3 ppm

  12. 19F NMR 表征

  13. 研 究 成 品 高纯度的LiFNFSI白色固体及 使用该锂盐的电解液 使用LiFNFSI新型电解液的锂离子电池 Graphite//LiFNFSI-EC/EMC (3:7 V/V) //LiCoO2

  14. 热稳定性与水解性能 LiFNFSI和LiPF6电解液中H2O含量和HF含量随时间的变化图 LiFNFSI的DSC-TG图 测试表明： 1） LiFNFSI的熔点 (Tm=179 oC)，分解温度 (Td=220 oC) 远高于LiPF6 (Td=108 oC)，完全可以符合锂离子电池的需求！！ 2） LiFNFSI 电解液表现出较好的耐水解性，基本上没有产生HF，这一 性质有望克服传统导电盐LiPF6的致命弊端！！

  15. 电化学性能 电导率及电化学窗口 LiFNFSI电解液体系的循环伏安测试图 LiFNFSI电解液的氧化电位 1) LiFNFSI具有和LiClO4相当的电导率，保证了锂离子电池的倍率性能； 2) 氧化电位高达5.6V ，且在阴极表面有优越的沉积/溶出过程，满足4V 级锂 (离子) 电池的应用条件

  16. 电化学性能 铝箔腐蚀研究 铝箔集流体的腐蚀研究 LiPF6 、 LiFNFSI电解液体系的循环伏安测试图 LiPF6 、 LiFNFSI电解液体系循环伏安测试后Al工作电极的SEM测试图 LiFNFSI电解液在正极集流体表面有良好的 钝化作用，这为LiFNFSI的能够产业化提供了重要基础！

  17. 室温循环测试 室温下，含LiFNFSI电解液的锂离子电池 具有更好的循环性能！！ LiFNFSI和LiPF6电解液在25 oC下循环 的比容量和库仑效率随循环序数的变化图

  18. 高温循环测试 LiFNFSI的高温循环性能明显优于传导导电锂盐，有望克服传统电解液的高温技术瓶颈，应用于电动汽车！ LiFNFSI和LiPF6电解液在60 oC下循环 的比容量和库仑效率随循环序数的变化图

  19. 总 结 1) LiFNFSI具备较高的热稳定性 (220 oC) 、不容易水解、化学性质稳定 2) 较高的氧化电位 (Eox>5.5V)，对Al集流体有良好的钝化作用 4) 较高的电导率和迁移数对常见正极材料和负极材料具有很好的兼容性 6) 使用LiFNFSI电解液的锂离子电池无论在室温下还是在60 oC下，其循 环性能均远优于使用LiPF6的传统电解液 ，尤其是在60 oC高温下的表 现出明显的优越性能 因此，LiFNFSI有望取代传统LiPF6成为锂离子电池电解液 的新一代导电盐！！

  20. 取得成果

  21. 致 谢 感谢启明学院提供的平台和机会，使我获得了宝贵的科研机会！ 感谢国家大学生自然科学创新基金的支持！ 感谢 华中科技大学化学与化工学院的支持与指导！ 感谢周志彬教授以及课题组师兄的悉心指导！

  22. Thank You !

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