鋰離子電池高壓電解液應用及電化學性能分析

伍沛亮，李沫林（.佛山中國科學院產業技術研究院，廣東佛山 5800；.一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司，廣東佛山 585）

鋰離子電池高壓電解液應用及電化學性能分析

伍沛亮1，李沫林2
（1.佛山中國科學院產業技術研究院，廣東佛山 528200；2.一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司，廣東佛山 528225）

在鋰離子電池中電解液是傳遞鋰離子的載體，正是通過電解液實現電池正極、負極及隔膜的連接，由此可見，電解液的品質會直接影響鋰離子電池的性能。傳統水系電解液的理論分解電壓僅1.23V，所以鉛酸蓄電池主要應用水系電解液其最高電壓僅為2V，而鋰離子電池工作電壓至少在3～4V，因此研究鋰離子電池高壓電解液的應用及電化學性能具有重要意義。以磷酸鐵鋰離子電池（LiFePO4）使用草酸二氟硼酸鋰（LiBC2O4F2）基電解液為例，分析LiBC2O4F2的電化學性能。

鋰離子電池；高壓電解液；電化學性能

1 鋰離子電池電解液應用要求

傳統水系電解液不適用于鋰離子電池，鋰離子電池電解液必須應用電化學窗口更寬的非水電解液體系，至少要達到以下幾點要求：在較寬的溫度范圍內電解率要保持較高的水平及穩定的性能；在較寬的溫度范圍內具有良好的穩定性，不會發生分解、其它化學反應等；具備較寬的電化學窗口，在0～5V之間可保證電解液不會出現顯著副反應為宜；電解液與電極材料的相容性好，保證形成的鈍化膜穩定、有效；閃點高，易燃性差，具備較高的安全性；低毒或無毒且造價低，不會對人體造成危害，且不會增加過多的生產成本。在整個鋰離子電池中電解液占整個電池質量的15%，且電解液的性能會對鋰離子電池的容量及循環性能起到決定性作用。

2 鋰離子電池電解液的組成

鋰離子電池電解液通常包括3個部分。其中鋰鹽的主要作用是為電荷傳遞提供鋰離子，有機溶劑為溶劑化鋰離子的產生提供基礎，添加劑則用于改善電池的某些性能等。雖然鋰鹽的種類很多，但適用于鋰離子電池的鋰鹽必須具備以下條件：在有機溶劑中易解離，有足夠高的溶解度才能保證足夠的電導率；鋰鹽陰離子不得與電解液發生有害副反應，即具備較好的耐氧化性及還原性，并且陰離子的還原產物要對SEI膜的形成起到促進作用；無毒無污染，造價成本低，制備簡單。有機溶劑的主要作用是解離鋰鹽，提供鋰離子載體，溶劑的性能直接決定電解液的性能，而鋰離子電池電解液溶劑必須滿足以下條件：可溶解足夠多的鋰鹽，保證鋰離子濃度，實現較高的介電常數；粘度低，易于鋰離子傳輸；與正負極有較好的兼容性，不會影響正負電極結構；液程寬，在較寬的溫度內保持液態，高沸點低熔點；低毒且成本低。鋰離子電池電解液添加劑的主要作用是改善電池循環性能、可逆容量、電解液的導電率等性能，相比鋰鹽及有機溶劑而言，雖然添加劑的用量少，但其改善電池某些性能的效果十分顯著，當然要求添加劑不得與電池正負極發生副反應，不會從負面影響電池性能；在有機溶劑中溶解度高，且低毒成本低。

3 LiBC2O4F2電解液電化學性能測試

在鋰離子電池電解液研究中，通常通過測試電解液的電導率、循環伏安、電化學阻抗等三項指標對電解液的電化學性能進行評價。電導率的物理意義即物質的導電性能，電導率越大，物質的導電性能越高，因此在鋰離子電池中電解液的電導率會直接影響到鋰離子的遷移阻力及電池倍率充放電性能。循環伏安是一種常用的研究電極氧化還原過程的電化學測試方法，電解液化學性能測試中可用該方法測試電解液的氧化電位。電化學阻抗測試主要研究電極與電解質界面的反應。本研究以LiBC2O4F2基電解液為例，與LiPF6對比分析LiBC2O4F2的電化學性能。

3.1 測試方法

應用上海產CHI660A電化學工作站對電解液在鋁箔上的氧化分解電位進行測試，鋁箔為工作電極，鋰片為對電極及參比電極，掃描速度1mV/S，掃描范圍2.5～6.5V；電解液導電率應用3107實驗室電導率儀進行測試，三電極電池的循環伏安曲線、交流阻抗譜采用CHI660A電化學工作站進行測試；雙電極扣式電池的充放電性能、循環性能采用BS9300二次電池性能測試儀進行測試。充電終止電壓4.0，放電截止電壓2.7V；溫度25℃和60℃。

3.2 測試結果

3.2.1 電解液的穩定性

采用線性掃描伏安法測試電解液對正極集流體的電化學穩定性，首次掃描LiBC2O4F2的陽極電流由4.25V逐漸增加，掃描電位越大，電流增加幅度就越大；而二次掃描時則從6.00V開始大幅增加；由此可見LiBC2O4F2在鋁箔上生成了一層氧化物薄膜，對其在鋁箔上高電位時的氧化反應可起到抑制作用。

3.2.2 循環伏安曲線

在25℃環境下，LiBC2O4F2與LiPF6保持基本相似的循環伏安曲線，但LiBC2O4F2電解液電池峰電位差更大，還原峰與氧化峰峰電流相近；在60℃環境下LiBC2O4F2循環伏安曲線保持較好的穩定性，而LiPF6氧化還原峰則分裂為多個峰值，證明其可能出現分解反應，因此LiBC2O4F2在高溫環境下其循環伏安曲線更加穩定。

3.2.3 交流阻抗

由使用LiBC2O4F2電解液的三電極模擬電池交流阻抗譜可知，LiBC2O4F2電解液的電池電荷轉移電阻較低，在25℃時循環次數增加，電池界面電荷傳輸反應阻抗也越大；在電池充放電過程中電極材料表面會形成一層表面膜，多次循環會使表面膜逐漸變厚，從而阻抗也不斷增加；在60℃環境下，電池界面電荷傳輸反應阻抗與循環次數同樣呈正相關。

上述測試中，LiBC2O4F2電解液電池穩定的循環伏安曲線表明其具有優良的可逆性，而交流阻抗譜表明LiBC2O4F2電解液電池電荷轉移電阻較低，證明其在高溫環境下仍能保持良好的電化學性能。

[1] 姚曉林，田超，陳春華.氯代磷酸酯作為鋰離子電池電解液阻燃添加劑的性能研究[J].中國科學技術大學學報，2016，（4）.

[2] 郝迷花.鋰離子電池電解液阻燃添加劑的研究與應用[J].平原大學學報，2016，（2）.

Application and Electrochemical Performance Analysis of High Voltage Electrolyte for Lithium Ion Batteries

Wu Pei-liang，Li Mo-lin

Electrolyte is the carrier of lithium ion in lithium ion battery.It is through the electrolyte that the positive pole，the negative pole and the separator of the battery are connected.Thus，the quality of the electrolyte directly affects the performance of the lithium ion battery.The traditional electrolytic solution of the traditional theory of electrolysis voltage is only 1.23V，so the main application of lead-acid battery electrolyte is the maximum voltage of only 2V，while the lithium-ion battery voltage at least 3-4V，so the study of high-voltage lithium-ion battery electrolyte And electrochemical properties.The electrochemical performance of LiBC2O4F2was studied by using lithium difluoroborate（LiBC2O4F2）as the electrolyte，using lithium iron phosphate（LiFePO4）as the electrolyte.

lithium ion battery；high voltage electrolyte；electrochemical performance

TM912.9

B

1003-6490（2016）12-0086-02

2016-11-15

伍沛亮（1985—），女，廣東云浮人，工程師，主要研究方向為新材料、新能源。