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【精品文章推送】 王 龙 测试锂电池析气的原位透射红外电解池技术
测试锂电池析气的原位透射红外电解池技术
作者简介：王龙(1987—)，男，安徽省人，博士研究生，哈尔滨工业大学化工与化学学院,主要研究方向为锂离子电池高电压电解液。
摘要：以LiNi0.5Mn1.5O4正极材料作为研究电极，将原位透射红外电解池用于锂离子电池首次充电时电解液析气行为研究，评价电解液电化学稳定性及其对正极性能影响。结果表明氟代碳酸乙烯酯(FEC)基电解液具有高的电化学稳定性并且能够提高正极比容量和电化学循环稳定性，100次循环后容量保持率高达97.9%。
关键词：原位；气体析出；高电压；锂离子电池
近年来，电动车及混合电动车的飞速发展对动力锂离子电池的比能量提出更高的要求。众所周知，锂离子电池的比能量与电池的比容量和电压成正比。因此，高电压型锂离子电池符合人们对高比能量电池的需求，成为近年来研究的热点[1]。然而，高电压型锂离子电池的寿命不佳、容量衰减快，并且具有较大的安全隐患。其安全问题很大程度上是由于“气胀现象”(即电池在储存和使用过程中，电池内部产生气体引起电池鼓涨的现象)引起的。因此，如何抑制高电压型锂离子电池气体的产生成为其广泛应用的关键所在[2-4]。目前，对于“气胀现象”的研究尚浅，难以提出行之有效的解决方案。传统的非原位表征方法通常是抽取循环后的电池中的气体进行检测，这种方法很难确定气体的最低析出电位，同时对于析出气体的来源和中间产物也难以确定，这不利于对“气胀现象”机理进行深入研究，所以发展原位表征手段对于锂离子电池“气胀现象”机理的研究显得格外重要。如何合理利用原位表征方法并结合非原位表征方法来解析气体的析出行为和机制成为发展高比能量锂离子电池的关键课题之一。
将原位红外反射光谱应用于电化学体系的研究始于20世纪80年代初[5-6]，它在检测材料表面的吸附物种、中间产物和最终产物以及研究反应分子在电极表面成键、配位、取向、转化等过程中发挥了独特和重要的作用，有力地推动了电化学学科从宏观到微观再到分子水平的发展[7]。Sharabi等[8]设计了一种原位透射傅里叶变换红外光谱(FTIRS)电解池，对LiNi0.8Co0.15Al0.05O2正极材料在LiTFSI/1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓双(三氟甲磺酰)亚胺盐(BMPTFSI)电解液中析出的气体种类进行了研究。实验结果表明，在电压低于5.5 V时，离子液体是稳定的，但当电极电压高于4.7 V时，LiNi0.8Co0.15Al0.05O2会有氧析出，并且检测到有CO和CO2气体的析出，这是由于材料析出的氧会与炭黑或者离子液体发生直接反应而产生的。本文通过设计一种便于电池气体检测的原位透射红外电解池，利用正极材料LiNi0.5Mn1.5O4制备的电极为研究电极，分别研究了电解液体系为碳酸乙烯酯(EC)+碳酸二甲酯(DMC)(体积比为1∶1)和氟代碳酸乙烯酯(FEC)+DMC(体积比为1∶4)在首次充电过程中不同电压下的气体产生情况，同时对电解液的电化学稳定性及其对5 V LiNi0.5Mn1.5O4正极材料电化学性能的影响也进行了研究。
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