隨著石油資源的逐漸枯竭,以及汽車尾氣排放帶來的環(huán)境污染等問題,使得新能源汽車成為未來汽車的主要發(fā)展方向,成為行業(yè)研究熱點(diǎn)。鋰離子電池作為新能源汽車的核心零部件得到越來越多的關(guān)注。為了更好的滿足用戶需求,解決里程焦慮的問題,開發(fā)更高比能量的電池來延長汽車?yán)m(xù)航里程成為必然。提高鋰離子電池的比能量需要提高活性材料的克容量發(fā)揮,擴(kuò)寬電池的電壓窗口,開發(fā)高電壓鋰離子電池。本文以開發(fā)高電壓鋰離子電池化學(xué)體系為目標(biāo),將關(guān)鍵原材料的研發(fā)和正負(fù)極界面膜優(yōu)化等過程關(guān)鍵參數(shù)的識別有機(jī)結(jié)合起來,首先研究了決定高電壓鋰離子電池能量的正極富鋰材料和決定電壓窗口的電解液體系;然后為了高電壓鋰離子電池?fù)碛懈觾?yōu)異的性能,識別了適用于高電壓鋰離子電池負(fù)極表面界面膜精修的低電位恒壓化成參數(shù)和正極表面可控生長界面膜的高電位下高壓化成參數(shù),并研究了加工過程中不可避免帶入的痕量水分對整個(gè)電池體系穩(wěn)定性的影響;最后將優(yōu)化的正極富鋰材料、耐高壓分解的電解液和界面膜優(yōu)化有機(jī)結(jié)合起來,開發(fā)了性能優(yōu)異的高電壓鋰離子電池化學(xué)體系,并對體系的壽命衰減機(jī)理進(jìn)行了分析,進(jìn)一步優(yōu)化了高電壓鋰離子電池化學(xué)體系。富鋰材料具備較高的克容量發(fā)揮,是開發(fā)高電壓高能量鋰離子電池優(yōu)異的正極材料。但富鋰材料在充放電過程中,由于Mn元素的變價(jià),會發(fā)生類似尖晶石結(jié)構(gòu)的相變,導(dǎo)致性能的快速劣化。本文采用Cu~(2+)元素?fù)诫s的方法,取代一部分Mn~(4+),增強(qiáng)材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性,從而提高材料的電化學(xué)性能。通過液相共沉淀和球磨法,合成了含有不同比例Cu~(2+)的富鋰材料0.5Li2MnO3·0.5Li(Ni0.5Mn0.5-xCux)O2,采用XRD,SEM,粉末電子電導(dǎo)和電化學(xué)充放電等測試方法對摻雜Cu~(2+)的富鋰材料進(jìn)行了表征。研究表明:摻雜Cu~(2+)之后,材料形貌由顆粒狀變?yōu)轭惏魻?材料的層間距增大,克容量發(fā)揮降低,隨著摻雜Cu~(2+)比例的提高,材料電子電導(dǎo)率逐漸增大,克容量發(fā)揮隨之提高,壽命改善也越明顯。摻雜能明顯增加富鋰材料的晶胞體積和層間距,有利于鋰離子在循環(huán)過程中的脫嵌,增強(qiáng)材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,進(jìn)而改善循環(huán)性能。為了拓寬電池的工作電壓窗口,本文研究了基于氟代溶劑D2的耐氧化分解的電解液體系,研究各溶劑組成、鋰鹽濃度對有機(jī)電解液的電導(dǎo)率、飽和蒸汽壓、熱穩(wěn)定性、電化學(xué)窗口、正極耐高壓穩(wěn)定性和負(fù)極成膜穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明:隨著電解液中鋰鹽濃度的增大,電導(dǎo)率先增大再降低,飽和蒸汽壓降低,熱穩(wěn)定性變差;隨著電解液中D2比例的增大,電導(dǎo)率逐漸降低,飽和蒸汽壓逐漸升高;D2溶劑明顯提升了電解液的耐氧化分解特性,并參與了碳酸酯類溶劑在負(fù)極上的還原反應(yīng)。識別化成參數(shù)可以優(yōu)化電池正負(fù)極在首次充放電過程中所形成的界面膜,提升高電壓鋰離子電池的循環(huán)性能。對于負(fù)極,本文研究低電位下恒壓精修SEI膜的化成方法,識別了關(guān)鍵控制參數(shù),發(fā)現(xiàn)在3.3V下恒壓60min,能夠在負(fù)極表面上形成致密、低阻抗、良好均一性的界面SEI膜。針對正極在高電位下持續(xù)氧化分解電解液造成電池性能劣化的問題,本文尋找合適的恒壓電位,控制電解液中VC的含量,從化成參數(shù)優(yōu)化的角度,研究VC在電解液中的最佳比例,促使VC添加劑在正極表面充分、有序、可控分解,形成穩(wěn)定的界面SEI膜,阻止電解液進(jìn)一步的氧化分解,從而提高高電壓鋰離子電池高壓下的循環(huán)壽命。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)電解液中VC含量為0.8%,首次充電截止電壓為4.63V,恒壓40min,電池的循環(huán)性能最佳,300次循環(huán)后容量保持率達(dá)到70%。痕量水分對電池體系的穩(wěn)定性有較大影響。本文研究了痕量水分對電池體系穩(wěn)定性的影響,研究發(fā)現(xiàn):水分對于正極,主要影響了電解液在正極表面發(fā)生氧化分解反應(yīng)的電位,水分含量越高,電解液的氧化分解電位越低,氧化分解的產(chǎn)物在正極表面沉積,導(dǎo)致正極界面膜阻抗增大,而對正極材料結(jié)構(gòu)沒有影響;水分在石墨負(fù)極表面參與SEI的形成反應(yīng),改變了負(fù)極界面膜的組成和形貌,水分含量高的負(fù)極形成較厚的、疏松多孔的界面膜;不同水份含量全電池的壽命測試顯示,負(fù)極水分含量的增大對電池循環(huán)壽命的影響要比正極水分含量增大顯著的多;通過三電極分析發(fā)現(xiàn),負(fù)極界面膜Rf的增大是電池阻抗增大的主要原因,負(fù)極水分含量越高,Rf隨循環(huán)增長就越快,最終導(dǎo)致電池壽命衰減加劇。最后,本文采用摻Cu~(2+)改性后的富鋰材料為正極,普通人造石墨為負(fù)極,常規(guī)PP/PE/PP三層復(fù)合聚烯烴隔膜,匹配D2氟化溶劑為主體成分的耐高壓分解電解液,并采用負(fù)極界面SEI膜精修的低電位恒壓化成參數(shù)和高電位下正極表面可控生長界面膜的高壓化成參數(shù),嚴(yán)格控制過程水分在合理的區(qū)間范圍,制備了高電壓鋰離子電池,并對壽命衰減機(jī)理進(jìn)行分析,進(jìn)一步優(yōu)化了高電壓鋰離子電池的化學(xué)體系。