锂离子电池低温电解液应用基础研究

针对"明确目标课题"（20）锂离子电池低温电解液应用基础研究提出通过量子化学设计计算，重点研究含氟有机锂盐、硼酸酯锂盐等具有较大半径阴离子官能团类型、结构对有机锂盐电导率等理化和电化学性能指标影响；同时，通过以系列电解质电导率为边界质量三角形模型建立针对"明确目标课题"（20）锂离子电池低温电解液应用基础研究，提出从量子化学设计计算入手，重点研究含氟有机锂盐、硼酸酯锂盐等具有较大半径阴离子官能团类型、结构对有机锂盐电导率等理化和电化学性能指标影响；研究多元有机溶剂热力学模型，定量估算组元之间的差异和局部互溶区问题，设计计算并试验研究适合用于低温工作范围的多元溶剂及其与电解质在不同温度下电导率和电化学稳定之间的规律；同时，通过研究建立以系列电解质电导率为边界质量三并实现对电解液材料电化学规律的计算与预报；以克服兼顾低温特性和电化学窗口这一研究难点，并通过试验对比优化研究出适合低温应用电解液。

随着锂离子电池的快速发展，锂离子电池在航空、航天等军用领域的应用已受到人们的日益广泛地重视，然而现有锂离子电池在低温环境下，其性能将会受到极大影响。锂离子电池低温性能不足已成为其应用发展的重要技术瓶颈之一，亟待改进提高。本课题以低温锂离子电池性能提高为主要目标，以电解液为主要研究对象，积极开展了锂离子电池低温电解液应用基础研究，以及对LiFePO4、三元、LiCoO2等体系进行匹配研究，其中重点突出了以下三个特色的研究：即在低成本锂盐的基础上得到性能优异的低温电解液，电解液超低温和常温性能兼顾的研究，电解液超低温性能和宽电化学窗口性能兼顾的研究。本项目采用质量三角形模型对电解液体系的电导率进行计算，优化得到在溶剂组成可用区域内电导率最高的溶剂组成点。采用量子化学计算的方法优化具有好的低温性能和宽的电化学窗口的新型锂盐。采用交流阻抗谱、循环伏安、XPS、XRD、SEM等测试方法研究不同添加剂与电极的界面相容性，以及添加剂作用机理。本项目得到的公斤级低温电解液，-40℃电导率达到0.745mS/cm, 用于钴酸锂正极材料 -25℃下放电89.6%，-40 ℃下放电80.2%，并且电化学窗口达到5.2V以上。研究结果表明NaCl、FEC、Li2CO3等添加剂对锂离子电池低温性能均有明显改善作用。本工作对低温电解液进一步优化得到了高电压电解液，用于LiCoO2电极4.5-2.8V充放电循环，使LiCoO2电极容量提高至190mAh/g, 120周循环后的容量保持率在94%以上。本研究成功的提高了锂离子电池的低温性能，为设计更加灵活，轻便和适应性强的航天和军事用设备奠定了基础。