磷酸铁锂动力电池电解液的研究进展.ppt

磷酸铁锂动力电池电解液研究 广州天赐 磷酸铁锂动力电池电解液研发项目组 2011年4月 王姣丽 目录 1. lifepo4动力电池的特点 1.1 lifepo4材料的结构 1.2 lifepo4动力电池的应用优势 2.电解液与lifepo4动力电池 2.1电解液对磷酸铁锂电池高温性能的影响 2.2电解液对磷酸铁锂电池低温性能的影响 2.3电解液对磷酸铁锂电池倍率性能的影响 2.4电解液对磷酸铁锂电池安全性能的影响 1.1 lifepo4材料的结构 在lifepo4中，氧原子以稍微扭曲的 六方紧密堆积方式排列。fe与li分别 位于氧原子八面体中心位置，形成了 feo6和lio6八面体。p占据了氧原子 四面体4c位置，形成了po4四面体. lifepo4晶体结构 在feo6层之间，相邻的lio6八面体通过b方向上的两个氧原子连接，形成 了与c轴平行的li的连续直线链，这使得li可能形成二维扩散运动. po4四面体位于feo6层之间，这在一定程度上阻碍了li+的扩散运动；相邻 的feo6八面体通过共顶点连接,共顶点的八面体具有相对较低的电子传导率 1.2 lifepo4动 力电池的应用优势 充电时,li+从fepo4-层迁移出来,经过电解液进入负极,fe2+被 氧化成fe3+,电子则经过相互接触的导电剂和集流体从外电路到 达负极,放电过程与之相反。 fe3+/fe2+两相转变 fepo4与lifepo4的结构 相似，体积接近，相差 6.81% 1.平稳的充放电电压平台（3.4v） 2.循环性能良好 3. 安全性好 磷酸铁锂电池成为hev、ev 及其它储能设备的首选电源 2电解液与lifepo4动力电池 选择合适电解质是获得高能量密度、长循环 寿命和安全性良好的锂离子二次电池的关键 与正极兼容与隔膜兼容 把电池连接成 一个有机整体 与负极兼容 传输锂离子 传导电流 电解液功能 2.1电解液对磷酸 铁锂电池高温性能的影响 将c-lifepo4粉末浸泡 在1.2mlipf6/ec:dec(3:7) 混合物55保存一周 icp检测 溶液中含535ppm fe离子 k. amine,argonne national laboratory 电池负极贡献了 全电池约90%的 阻抗值 电解液对磷 酸铁锂电池高温性能的影响 高温提高了lifepo4化学活性，促进 了电解液与正极材料的反应 电解液加速分解导致sei膜的增厚 金属离子在放电过程中沉积在阳极 石墨上并插入石墨层中 lifepo4晶格结构不完整，表面活 性物过多 fe溶解，正极材料 结构遭破坏 li+迁移路径延长， 消耗电解液中锂盐 石墨层剥离，结构 坍塌 易与电解液中游离 酸反应 电解液对磷酸 铁锂电池高温性能的影响 优化电解液溶剂 组分，提高电解 液与lifepo4电 极材料的相容性 1 选择合适电解液 添加剂，减少电 解液在mcmb上 的分解及sei膜 的增厚 2 改善方法 常用的添加剂有碳酸亚乙烯酯(vc)、亚 硫酸乙烯酯（es)亚硫酸丙烯酯（ps) 2.2电解液对磷酸 铁锂电池低温性能的影响 低温性能 影响因素 sei膜的传导性质 电解液电导率 降低，锂盐从 溶剂中析出 锂在石墨中 的扩散动力学 锂在lifepo4中的 扩散动力学 25 sei膜阻抗： 0.570.88/g 电解液阻抗： 0.480.53/g -30 sei膜阻抗： 17.221.3/g 电解液阻抗： 5.45.5/g 用电化学阻抗方法测量放电态的 天然石墨/li半电池的阻抗参数，当 温度降至-20 ，电荷转移阻抗成 为控制因素 细化电极活性材料颗粒尺寸 增强颗粒间接触 使电极活性材料具有合适孔隙率 电解液对磷酸 铁锂电池低温性能的影响 电解液的解决方法 使用低 黏度溶剂 使用低 熔点溶剂 提高电解 液电导率 提高电解 液中锂盐 的离子化 磷酸铁锂电池低温性能测试 设计配方 1) ec:emc:dec=3:5:3.2%vc,li:1.1m 2) ec:emc:dec=4:3:3,2%vc,li:1.1m 3) ec:emc:ep=3:5:2, 2%vc,li:1.1m 4) ec:emc:ep=2:5:3, 2%vc,li:1.1m 磷酸铁锂电池低温性能测试 测试电池描述 材料产地性能极片 正极磷酸 铁锂 天津斯特兰 能源科技有 限公司 克容量：130mah/g 振实密度：0.8g/cm3 中位径：36m 碳含量：3% 压实密度： 2.2g/cm3 厚度：145m 负极人造 石墨 深圳贝特瑞 新能源材料 有限公司 首次克容量：341.39mah/g 振实密度：1.016g/cm3 中位径：19.570m 压实密度： 1.22g/cm3 厚度：90m 说明自制软包电池，标称容量：400mah 方形电池：客户电池，铝壳，标称容量：32ah 磷酸铁锂电池低温性能测试 400mah电池测试，低温下放电容量保持率为：2)1)3)4) 32ah电池测试，低温下放电容量保持率为：4) 3) 1) 2） -20下电解液电导 率 ms/cm 1)2)3)4) 2.92.63.03.2 电解液改进磷酸铁 锂电池低温性能的解决方案 如选用溶剂体系dmc+dec等 如选用羧酸酯溶剂丙酸乙酯、丁酸甲酯等 使用低温下热导性能较好的电解液溶剂体系， 提高电池在低温下充放电时的本体温度 a 使用熔点与黏度较低的有机溶剂，拓宽电解 液的液态温度范围 b 电解液改进磷酸铁 锂电池低温性能的解决方案 优化配方： a）ecpcdmcemcdec,2%vc+低温添加剂 b）ecpcemcepdec, 2%vc+低温添加剂 小电池-20测试 于常温下1c放电至2v后-20搁置16h测试 小电池-30与-40测试 能满足小电池-200.3c 放电容量保持接近70% 对于400mah小电池，a配 方的低温性能优于b配方 于常温下1c充电至3.85v 后于低温下搁置16h测试 大电池-20测试 于常温下1c放电至2v 后-20搁置16h测试 大电池-30与-40测试 于常温下1c充电至3.85v 后于低温下搁置16h测试 能满足电池-200.3c放电容量 保持接近70%, -200.3c 50% 对于32ah电池，b配方的低温 性能优于a配方 2.3电解液对 磷酸铁锂电池倍率性能的影响 提高磷酸铁锂 电池倍率性能 提高电解液中 锂离子迁移速率 提高电解液 电子电导率 降低电 解液黏度 提高溶剂中 锂盐的离子溶剂化 添加表面活性剂 选用低黏度溶剂 选用高介电常数溶剂 使用合适的添加剂 硼基化合物 氮杂醚 冠醚 溶剂ec对磷酸 铁锂电池倍率性能的影响 15c放电 20c放电 ec含量过高不利于磷酸铁锂电池的倍率放电 电解液中加入溶剂dmc能提高磷酸铁锂电池的大倍率放电性能 ec：介电常数89.6c/v.m，黏度0.1825mpas 2.4电解液对 磷酸铁锂电池安全性能的影响 热失控 由于电解液和电极材料之间的热反应 而引发锂电池最终毁灭性的事故 热方面：过热 电方面：过充 机械方面：挤压、内部或外部短路 非水有机体系的电解液具有低燃点的易燃性质，它在温度升高的密闭电池体系内 极易和充放电过程中非常活泼的电极材料发