锂离子电池高电压正极材料表面钝化膜的调控和性能研究

Increasing the working voltage of cathode materials is the way which must be passed to enhance the energy density of lithium-ion batteries. However, when the working voltage is higher than the stable window of electrolyte, electrolyte will oxygenolysis on the surface of cathode materials. This will consume electrolyte, shorten lifetime and shelf-life of battery, and the decomposition of electrolyte will lead to the gas and bloating of battery. In order to solve this problem, a surface passive film with electron insulation, lithium ions conduction, compact, contact well to electrode, and low solubilty in electrolyte must be formed between the cathode materials and electrolyte. It was found that the passive films on cathodes are often to be thin, and unstable under high voltage, which will lead to the contunous consumption of electrolyte. So, in thie project, we are focusing on forming stable and effective passive films on high voltage cathode materials.We will prepare thin film electrodes and microcrystal electrodes, combining with multiple investigating techniques, to study the reaction processes of electrolyte on th surface of cathode materials. We will optimize the electrolyte recipes and additives by theoretical calculation and experimental screening, and apply these electrolyes and additives in the high voltage lithium-ions battery, to enhance the energy density, cycle life, shelf-life and safety.

提高正极材料的工作电压，是锂离子电池的能量密度进一步提高的必由之路，但是当工作电压高于电解液稳定的电化学窗口时，电解液会在正极材料表面发生氧化分解反应，造成电解液的消耗，导致电池寿命缩短，搁置性能降低，并且电解液分解产生气体会造成电池胀气，可能产生危险。为了解决这一问题，必须在高电压工作的正极材料表面形成一层稳定的具有电子绝缘、锂离子导通、结构致密、与电极接触良好、在电解液中溶解度低的表面钝化膜。但是，研究发现，正极材料表面的钝化膜往往十分薄，而且在高电压下不稳定，容易造成电解液的持续消耗。为此，本项目针对在高电压正极材料表面形成稳定有效的钝化膜这一目标，通过制备薄膜电极与微晶电极，结合多种检测技术，研究电解液组分在高电压正极材料表面的反应过程，并通过理论计算与实验筛选，优化电解液配方与添加剂种类，将其应用于实体高电压锂离子电池，提高锂离子电池的能量密度、循环寿命、安全性以及搁置性。

提高正极材料的工作电压，是锂离子电池的能量密度进一步提高的必由之路， 但是当工作电压高于电解液稳定的电化学窗口时，电解液会在正极材料表面发生氧化分解反应，造成电解液的消耗，导致电池寿命缩短，搁置性能降低，并且电解液分解产生气体会造成电池胀气，可能产生危险。为了解决这一问题，必须在高电压工作的正极材料表面形成一层稳定的具有电子绝缘、锂离子导通、结构致密、与电极接触良好、在电解液中溶解度低的表面钝化膜。但是，正极材料表面的钝化膜往往十分薄，而且在高电压下不稳定， 容易造成电解液的持续消耗。为此，本项目针对在高电压正极材料表面形成稳定有效的钝化膜这一目标，通过制备薄膜电极与微晶电极，结合多种检测技术，研究并提出了电解液组分在高电压正极材料表面合理的反应过程；并用原位电化学原子力显微镜的方法对高电压下钴酸锂正极表面SEI膜的演变过程进行了研究，结果发现LiCoO2材料在高电压下不同晶面的反应活性不同，电解液在棱面上容易发生反应，形成不稳定的SEI膜，正是由于这种不稳定的界面，造成了LiCoO2在高电压工作条件下循环稳定性的降低。用原子层沉积方法对LiCoO2进行表面包覆后发现电解液在棱面上的反应被抑制，获得了稳定的界面。此外，我们还通过理论计算与实验筛选，优化电解液添加剂种类，将其应用于高电压锂离子电池，他们能形成有效的SEI膜，提高了锂离子电池的能量密度、循环寿命的作用效果和作用机理。这些研究为提高高电压正极材料/电解液界面稳定性给出了有效的解决方案。