含芳香基硫醚衍生物的电解质溶液在高电压锂离子电池正极材料表面的成膜机理及其性能

The characteritics of interface film between cathode surface and electrolyte plays an important role on the properties of high operating voltage lithium ion batteries.The thioether substances are expected to be one kind of novel cathode film-forming moleculars according to the fact that the thioether is tends to be oxidized, and can effectively capture the active substances produced by cathode materials when charged to higher voltage. Thereinto,on the basis of the quantum calculations of the thioether with aromatic groups containing phenyl or other fountional groups, we will design and synthesize a number of the derivatives of aryl thioether, and then the electrochemical behavior of optimized functional molecules in electrolyte and their effects on battery performance at high voltage will be evaluated in this project.Especially,the optimized functional molecules participate in the process of the interfacial layer formed on the cathode surface at high voltage, and the intrinsic relationship of the composition, structure, morphology with properties of the cathode interfacial layer will be investigated by quantum chemical calculations method, combined with spectoscopic techniques and a various of electrochemical methods. Based on the results, we will put forward the forming conditions of the cotrollabe cathode surface film. This work is expected not only to develop a practical electrolyte additive, and to provide basic research data and new technique for the improvement of the capacity and cycle stability of lithium-ion battery at high operating voltage, but also to promote the understanding of the function of the interfacial film and the reaction process of the cathode electrode.

正极界面膜的性质对于高工作电压锂离子电池的性能有非常关键的作用。基于硫醚易于被氧化，能有效"捕捉"正极材料在高电压条件下产生的氧化活性物质，有望成为性能优良的一类新型正极成膜功能分子。本项目结合量子化学计算，提出以硫醚为主体分子，引入芳香基基团和其他官能团设计并合成一系列芳香基硫醚类衍生物，并将其作为电解质溶液的功能分子，以此提高高工作电压锂离子电池的性能。以量子化学计算结合电化学测试、光谱表征等方法，研究在高工作电压条件下，优选出的功能分子在正极材料表面形成界面膜的过程，以及所形成的正极界面膜的组成、结构和性质，并提出性质可控的正极界面膜的形成方法。研究结果不但有望开发出适合于高工作电压锂离子电池使用的电解质功能添加剂，为高工作电压锂离子电池容量和循环稳定性的提高提供新的技术方法和基础研究数据，也将有助于加深对正极界面膜的作用及电极反应过程的认识。

随着社会的发展，人们对于锂离子电池的能量密度、循环寿命和安全性能等方面提出了更高的要求。因此，在更高的工作电压下，设计和形成稳定的、能有效抑制电解质溶液与正极材料间不良相互作用的正极界面膜，对于提高锂离子电池的比能量和循环稳定性能有非常重要的意义。.含芳香基的硫醚衍生物有可能是一类具有良好应用前景的电解质溶液功能分子添加剂。我们提出以硫醚为主体分子，引入芳香基基团和其他官能团，设计构建芳香基硫醚类衍生物作为正极成膜的功能分子，并将优选出的功能分子作为电解质溶液的添加剂，应用于高工作电压锂离子电池。其中，硫醚易于被氧化，能有效“捕捉”正极材料在高电压条件下产生的氧化活性物质，并使之失去活性，从而抑制电解质溶液被催化氧化等不良反应发生；芳香基团能在较低电位下优先于溶剂分子在正极表面发生电化学聚合并形成具有电子导电性的界面膜。.研究结果表明，优选出的添加剂分子二苯二硫醚，能够有效提高钴酸锂/石墨电池在高充电电压（4.4 V）下的性能。电池在1C倍率下100 圈后容量保持率可由原70%提升至81%。倍率放电性能也大大改善。红外、XRD、电化学阻抗等测试表明，二苯二硫醚分子能够通过自身分解在正负极表面形成有效的界面膜，从而抑制电解液与电极界面的不良反应，保护电解液/电极界面的稳定性。这一研究成果不仅有望开发适合于高工作电压锂离子电池使用的电解质功能添加剂，为高工作电压锂离子电池容量和循环稳定性的提高提供新的技术方法和基础研究数据，也将有助于加深对正极界面膜的作用及电极反应过程的认识。