电解液添加剂对高镍三元正极表面SEI膜的成膜机理研究

The performance of electrode interface is one of the most important factors that affect battery charge/discharge capacities, cycling stability, energy and power density. Nevertheless, it remains to be a difficult part for lithium ion battery research because of its complicated structure and formation mechanism. It is of great importance to enhance the understanding between lithium ion battery electrode and electrolyte, especially for the forming mechanism, density, homogeneity for solid electrolyte interface (SEI), together with its growth, composition and thickness changes during electrochemical cycling. The investigation of high voltage NMC cathode material (with high nickel content) is a widely accepted method to greatly increase the energy density of the battery. However, the critical high-voltage environment leads to the rapid decomposition of commercial carbonate electrolytes, which accelerate the growth of corresponding SEI on the cathode, which in turn leads to an increase of the impedance at the electrode-electrolyte interphase, thus reducing cycle life of the battery. This project intends to adopt the advanced characterization techniques, such as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), scanning near-field optical microscopy (SNOM), X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy to study the formation mechanism of SEI on NMC cathode, and the influence of electrolyte decomposition and anode on SEI growth of the cathode. In the end, this project is expected to provide a full battery promotion strategy via the design of high-voltage electrolyte additives.

电极界面的性能是影响电池充放电电量，循环稳定性，能量和动力密度的最重要因素之一，也是锂离子电池研究中的难点所在。加深对锂离子电池电极表面和电解液之间反应的理解，特别是固体电解质界面膜(SEI膜)的成膜机理、致密度、成膜均匀性以及随电池循环的生长，成分与厚度变化，对于提升锂离子电池稳定性和循环性能具有重要意义。探索高电压三元高镍正极材料是现今公认可行的大幅度提高电池能量密度的方法。然而，高电压测试环境导致对应碳酸酯类电解液的快速分解，使正极SEI膜快速增厚，增加界面阻抗，从而降低电池的循环寿命。本课题拟借助当今各种先进的表征手段，如X射线光电子能谱 (XPS)，扫描近场光学显微镜 (SNOM)，X射线衍射 (XRD)，透射电子显微镜 (TEM)等技术，对高镍三元正极材料表面SEI的形成机理，以及相对应的电解液分解和负极对其影响进行系统性研究，最终通过高压电解液的添加剂设计提供全电池提升策略。

对于锂离子电池而言，电极界面的性能是影响电池充放电电量，循环稳定性，能量和动力密度的最重要因素之一，也是锂电研究中的难点所在。加深对锂离子电池电极表面和电解液之间反应的理解，特别是固体电解质界面膜(SEI膜)的成膜机理、致密度、成膜均匀性以及随电池循环的生长，成分与厚度变化，对于提升锂离子电池稳定性和循环性能具有重要意义。探索高电压三元高镍正极材料是现今公认可行的大幅度提高电池能量密度的方法。然而，高电压测试环境导致对应碳酸酯类电解液的快速分解，使正极SEI膜快速增厚，增加界面阻抗，从而降低电池的循环寿命。.本课题从SEI的机理研究出发，主要通过锂离子电池电解液添加剂的含量及种类调控，分别研究了不同种类商用成膜添加剂在电化学过程中的作用机理，并对于其在正极、负极及电解液间的能效作用进行了深入探索，构建起电池全生命周期中，电解液添加剂在不同阶段的成膜及失效机理模型。更为重要的是，通过对于商用添加剂的作用探讨，从中得到的宝贵经验和理论依据深入指导了新型电解液添加剂的结构与能效设计。通过本项目，我们成功进行了两种新型成膜添加剂（磷酸三炔丙酯及双EC）的设计与制备，并将其成功推广及应用于高镍高压三元电池体系，在提升电池性能的同时，对于其在电化学反应过程中起到的关键性作用进行了深入识别，并将研究成果发表于国际期刊进行经验的推广。通过本课题的研究，在学术上共发表了6篇文章，同时也成功培养了对应的学术人才；对于产业应用而言，也为提升电池的能量密度、功率密度等关键性能提供了高性价比的选择和研究方向。