温度对LiCoO2中锂离子嵌脱过程的影响

摘要 运用EIS研究了LiCoO2正极在1M LiPF6-EC:DEC:DMC和1M LiPF6-PC:DMC+5%VC电解液中0~30℃范围内阻抗谱特征、SEI膜阻抗、电子电阻和电荷传递电阻等随温度的变化。结果表明,LiCoO2正极的EIS谱特征与温度有关,随温度的升高其低频区域在1M LiPF6-EC:DEC:DMC和1M LiPF6-PC:DMC+5%VC电解液中分别于10和20℃出现反映锂离子固态扩散的斜线。LiCoO2正极在 1M LiPF6-EC:DEC:DMC和1M LiPF6-PC:DMC+5%VC电解液中,锂离子迁移通过SEI膜的离子跳跃能垒平均值分别为37.74和26.55KJ/mol;电子电导率的热激活化能平均值分别为39.08和53.81KJ/mol;嵌入反应活化能平均值分别为68.97和73.73KJ/mol。     

电解液组成对尖晶石LiMn_2O_4中锂离子嵌脱过程的影响

运用电化学阻抗谱(EIS)研究了尖晶石LiMn2O4正极在1mol·L-1LiPF6-EC(碳酸乙烯酯)∶DEC(碳酸二乙酯)∶DMC(碳酸二甲酯),1mol·L-1LiPF6-EC∶DEC∶EMC(碳酸甲乙酯)和1mol·L-1LiPF6-EC∶DMC三种不同电解液中,-20-20℃范围内的阻抗谱特征随温度的变化.研究结果表明,温度强烈影响尖晶石LiMn2O4正极的阻抗谱特征,而电解液组成对尖晶石LiMn2O4正极阻抗谱特征的影响较小,但电解液组成对锂离子在尖晶石LiMn2O4正极中嵌入脱出过程相关动力学参数影响较大.测得尖晶石LiMn2O4正极在上述三种电解液中,锂离子迁移通过固体电解质相界面(SEI)膜的离子跳跃能垒平均值分别为7.60、16.40和18.40kJ·mol-1;电子电导率的热激活化能平均值分别为44.77、35.47和68.06kJ·mol-1;嵌入反应活化能平均值分别为52.19、46.19和69.86kJ·mol-1.     

锂离子电池电解液中甲醇杂质对石墨电极性能影响机制的电化学阻抗谱研究

运用电化学阻抗谱和循环伏安法研究了在1mol/LLiPF6-EC/DEC/DMC电解液中,不同甲醇杂质含量对石墨电极性能的影响及其机制.结果表明,甲醇对石墨电极性能的影响与电解液中甲醇的含量有关;其对石墨电极性能的影响机制为甲醇在2.0V左右还原生成的甲氧基锂沉积在石墨电极表面上,形成一层初始SEI膜,影响了EC的还原分解成膜过程.     

Li_2CO_3添加剂对石墨电极性能的影响

运用电化学阻抗谱(EIS)和循环伏安法(CV)研究了在1mol/LLiPF6-EC(碳酸乙烯酯):DMC(碳酸二甲酯)电解液中添加Li2CO3对石墨电极性能的影响及机制.CV研究结果表明,在1mol/LLiPF6-EC:DMC电解液中添加Li2CO3能够有效抑制石墨电极首次充放电过程中碳酸乙烯酯(EC)的单电子还原过程,即还原分解产生乙烯和碳酸锂的过程,进而改善石墨电极的电化学循环性能.EIS研究结果表明,在添加Li2CO3的1mol/LLiPF6-EC:DMC电解液中,石墨电极表面的固体电解质相界面膜(SEI膜)具有较强的黏弹性,可以更好地适应锂离子嵌入过程中石墨颗粒体积的微小变化,从而使锂离子的嵌入过程更容易进行.     

LiF和LiCl对石墨电极电化学性能的影响

六氟磷酸锂是目前商品化锂离子电池中使用最广泛的电解质锂盐,LiF和LiCl是除水和酸之外六氟磷酸锂产品中最重要的杂质.运用扫描电子显微镜（SEM）、充放电、循环伏安法（CV）以及电化学阻抗谱测试（EIS）等研究了LiF和LiCl对石墨电极电化学性能的影响.充放电结果表明,在1 mol/L LiPF₆-EC：DEC：DMC电解液中添加饱和的LiF,可以显著提高石墨电极的充放电可逆容量并改善其循环性能,而在1 mol/L LiPF₆-EC：DEC：DMC电解液中添加饱和的LiCl,虽也可提高石墨电极的首次充电容量,但严重恶化石墨电极的充放电循环稳定性.CV结果表明,电解液中LiF、LiCl的存在对EC的还原分解过程影响较小.但SEM和EIS的结果指示,LiF、LiCl对石墨电极表面SEI膜的形成过程影响较大.在添加饱和LiF的电解液中石墨电极表面形成的SEI膜较薄且电阻较小,进而提高了石墨电极的可逆循环容量及改善了其循环稳定性;但在饱和的LiCl电解液中石墨电极表面形成的SEI膜较厚且电阻较大,严重恶化石墨电极的电化学循环稳定性.     

锂离子电池中电解液的热行为分析

以DSC方法研究分析了1M LiPF6 EC-DMC-EMC(1:1:1,质量比)电解液在锂离子电池中的热行为.锂离子电池中,电解液的热行为主要体现在三方面:电解液的热分解、参与充电态石墨负极的热分解反应、与Li0.5CoO2的热分解产物发生复杂的化学反应.电解液热分解反应是EMC分解生成DEC、DMC,而DEC、DMC与LiPF6的分解产物PF5发生系列的化学反应,释放大量热与气体.Li0.5CoO2分解释放的氧气导致电解液的分解产物及有机溶剂的燃烧,释放大量热与小分子气体.燃烧反应释放的大量热促使Li0.5CoO2的分解产物Co3O4的继续分解;当达到300℃以上时,由LI0.5CoO2分解生成的LiCoO2可能与燃烧产物CO2发生反应以及其他系列的化学反应.充电态的石墨电极的DSC结果表明,电极表面形成固体电解质膜(SEI膜)的碎裂反应是主要的放热反应,LiC6与粘结剂及电解液的放热反应相对较弱.     

石墨负极电化学扫描循环过程的EIS、Raman光谱和XRD研究

运用电化学阻抗谱(EIS)、Raman光谱和XRD研究了石墨负极在1 mol/L LiPF6-EC∶DEC∶DMC电解液中的电化学循环扫描过程. EIS研究结果表明, 在电化学循环扫描4~10周范围内, SEI膜(固体电解质相界面膜)电阻随循环扫描周数增加近似线性增长, 但石墨负极/电解液界面总阻抗由于电荷传递电阻的降低而减小. Raman光谱研究结果表明, 在经历电化学循环扫描后, 活性材料表层发生粉化和无定形化, 石墨化程度降低; 但XRD研究结果显示, 石墨材料的本体结构没有发生变化, 仍然保持着完整的石墨层状结构.     

新型锂盐LiBC2O4F2在EC+DMC溶剂中的电化学行为

采用差热-热重(TG-DTA)、恒电流充放电和交流阻抗(EIS)分析了二氟草酸硼酸锂(LiODFB)的热稳定性, 研究了LiODFB/碳酸乙烯酯(EC)+碳酸二甲酯(DMC)电解液的电化学性能及界面特征. 实验结果表明, LiODFB不仅具有更高的热稳定性, 而且在EC+DMC溶剂中具有较好的电化学性能. 与使用LiPF6/EC+DMC的电解液相比, 锂离子电池应用LiODFB基电解液在55 ℃的高温具有更好的容量保持能力; 以0.5C、1C(1C=250 mA·g-1)倍率循环放电, 两种电池间的倍率性能差别较小; LiODFB能够在1.5 V(vs Li/Li+)左右在石墨电极表面还原形成一个优异稳定的保护性固体电解质相界面膜(SEI膜); 交流阻抗表明, 使用LiODFB基电解液的锂离子电池仅具有稍微增加的界面阻抗. 因此LiODFB是一种非常有希望替代LiPF6用作锂离子电池的新盐.     

新型锂盐LiBC2O4F2在EC＋DMC溶剂中的电化学行为

采用差热-热重(TG-DTA)、恒电流充放电和交流阻抗(EIS)分析了二氟草酸硼酸锂(LiODFB)的热稳定性,研究了LiODFB/碳酸乙烯酯(EC)+碳酸二甲酯(DMC)电解液的电化学性能及界而特征.实验结果表明,LiODFB不仅具有更高的热稳定性,而且在EC+DMC溶剂中具有较好的电化学性能.与使用LiPF6/EC+DMC的电解液相比,锂离子电池应用LiODFB基电解液在55℃的高温具有更好的容量保持能力;以0.5C、1C(1C=250 mA·g-1)倍率循环放电,两种电池间的倍率性能差别较小;LiODFB能够在1.5 V(vs Li/Li+)左右在石墨电极表面还原形成一个优异稳定的保护性固体电解质相界面膜(SEI膜);交流阻抗表明,使用LiODFB基电解液的锂离子电池仅具有稍微增加的界面阻抗.因此LiODFB是一种非常有希望替代LiPF6用作锂离子电池的新盐.     

添加剂氟代碳酸乙烯酯对锂离子电池性能的影响

在1 mol·L-1 LiPF6/碳酸乙烯酯(EC)+碳酸二甲酯(DMC)+碳酸甲乙酯(EMC)(EC、DMC、EMC体积比为1:1:1)电解液中加入体积比为2%的添加剂氟代碳酸乙烯酯(FEC), 用循环伏安法(CV)、扫描电镜(SEM)、能量散射光谱(EDS)、电化学阻抗谱(EIS)等方法, 研究了FEC 对锂离子电池性能及石墨化中间相碳微球(MCMB)电极/电解液界面性质的影响. 结果表明, 体积比2%FEC的添加可以抑制部分电解液溶剂的分解, 在MCMB电极表面形成一层性能优良的固体电解液相界面(SEI)膜, 降低了电池的阻抗, 明显提高了电池的比容量和循环稳定性.     

LiCoO_2 electrode/electrolyte interface of Li-ion batteries investigated by electrochemical impedance spectroscopy

The storage behavior and the first delithiation of LiCoO2 electrode in 1 mol/L LiPF6-EC:DMC:DEC elec- trolyte were investigated by electrochemical impedance spectroscopy (EIS). It has found that, along with the increase of storage time, the thickness of SEI film increases, and some organic carbonate lithium compounds are formed due to spontaneous reactions occurring between the LiCoO2 electrode and the electrolyte. When electrode potential is changed from 3.8 to 3.95 V, the reversible breakdown of the resistive SEI film occurs, which is attributed to the reversible dissolution of the SEI film component. With the increase of electrode potential, the thickness of SEI film increases rapidly above 4.2 V, due to overcharge reactions. The inductive loop observed in impedance spectra of the LiCoO2 electrode in Li/LiCoO2 cells is attributed to the formation of a Li1-xCoO2/LiCoO2 concentration cell. Moreover, it has been demonstrated that the lithium-ion insertion-deinsertion in LiCoO2 hosts can be well described by both Langmuir and Frumkin insertion isotherms, and the symmetry factor of charge transfer has been evaluated at 0.5.     

Impedance Studies of Spinel LiMn2O4 Electrode/electrolyte Interfaces

The formation process of solid electrolyte interphase（SEI） film on spinel LiMn2O4 electrode surface was studied by electrochemical impedance spectroscopy（EIS） during the initial storage in 1 mol/L LiPF6-EC：DMC：DEC electrolyte and in the subsequent first charge-discharge cycle. It has been demonstrated that the SEI film thickness increased with the increase of storage time and spontaneous reactions occurring between spinel LiMn2O4 electrode and electrolyte can be prevented by the SEI film. In the first charge-discharge cycle succeeding the storage, the electrolyte oxidation coupled with Li-ion insertion is evidenced as the main origin to increase the resistance of SEI film. The results also confirm that the variations of the charge transfer resistance（Rot） with the electrode potential（E） can be well described using a classical equation.     

New insight into the solid electrolyte interphase with use of a focused ion beam

The formation and evolution of the solid electrolyte interphase (SEI) film on the surface of natural graphite spheres in the electrolyte of 1 M LiPF6 in ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) (volume ratio 1:1) were investigated with use of focused ion beam (FIB) technology. Secondary electron FIB images clearly show the surface and cross-section morphology of the SEI film. The composition variation along the surface and cross section of the SEI film was also explored by the elemental line scan analysis (ELSA). The initial SEI film with an apparent thickness range of approximately 450 to approximately 980 nm is rough in morphology and nonuniform in composition, and contains small splits. After certain electrochemical cycles, the thickened SEI film displays microscale holes and obvious cracks on the surface, and the content of organic compounds increases. In addition, the concept of "internal SEI film" is first proposed based on the characterization of the cross section of the natural graphite spheres with the aid of FIB. Finally, the capacity fading mechanisms of the natural graphite spheres corresponding to different electrochemical stages are discussed.