添加剂氟代碳酸乙烯酯对锂离子电池性能的影响

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物理化学学报(WuliHuaxueXuebao)

February[Article]

ActaPhys.-Chim.Sin.,2009,25(2)：201-206

201

添加剂氟代碳酸乙烯酯对锂离子电池性能的影响

许

杰

姚万浩

姚宜稳

王周成*

杨

勇

(厦门大学化学化工学院,福建厦门361005)

摘要：在1mol·L-1LiPF6/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.关键词：添加剂;氟代碳酸乙烯酯;锂离子电池;循环伏安;能量散射光谱;电化学阻抗谱中图分类号：O646

EffectofFluoroethyleneCarbonateAdditiveonthePerformanceof

LithiumIonBattery

XUJie

YAOWan-Hao

YAOYi-Wen

WANGZhou-Cheng*

YANGYong

(CollegeofChemistryandChemicalEngineering,XiamenUniversity,Xiamen

361005,FujianProvine,P.R.China)

Abstract：Fluoroethylenecarbonate(FEC)withavolumeratioof2%wasaddedtotheelectrolytecontaining1mol·L-1LiPF6inethylenecarbonate(EC),dimethylcarbonate(DMC),andmethylethylcarbonate(EMC)(1∶1∶1byvolume).TheeffectsofFEConlithiumionbatteryperformanceandonthemesocarbonmicrobead(MCMB)electrode/electrolyteinterphasewerestudiedbycyclicvoltammetry(CV),scanningelectronmicroscopy(SEM),energydispersivespectroscopy(EDS)andelectrochemicalimpedancespectroscopy(EIS).Theresultsindicatedthattheapplicationofa2%(volumeratio)ofFECsuppressedelectrolytedecompositionandcausedtheformationofanexcellentsolidelectrolyteinterphase(SEI)filmontheMCMBelectrode.Thebatteryresistancedecreasedwhilethespecificcapacityandcyclicstabilityofthebatteryincreased.

KeyWords：Additive;Fluoroethylenecarbonate;Lithiumionbattery;Cyclicvoltammetry;Energy

dispersivespectroscopy;Electrochemicalimpedancespectroscopy

锂离子电池有开路电压高、能量密度大、输出功率大、循环性能好等优点,自从1991年商品化以来,锂离子电池逐渐成为重要的能量储存设备,在电子类产品、交通工具、航空领域等方面的应用日益广泛.目前,锂离子电池的研究工作主要集中在三个主要方面:(1)提高电池性能,(2)降低成本,(3)使用环境友好材料.其中,为了扩大锂电池的应用范围,提高电池的性能(如高比能量密度,良好的循环性能等)

*

日渐成为研究工作的重点.

电解液作为锂离子电池的三大主要材料之一,其组成对电池的性能有重要影响,现在市场上的锂离子电池多采用LiPF6为电解质盐,碳酸酯类化合物如碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)等为电解液有机溶剂,通常采用二元或三元混合溶剂体系来满足一定的要求,如较稳定的温度窗口、电化学窗口和较高的

Received:September10,2008;Revised:October21,2008;PublishedonWeb:December1,2008.Correspondingauthor.Email:zcwang@;Tel:+86592-2180738.

鬁EditorialofficeofActaPhysico-ChimicaSinica

国家基础研究重大项目计划(2007CB209702)资助

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ActaPhys.-Chim.Sin.,2009

Vol.25

离子电导率等.此外,近几年电解液添加剂的使用也引起了人们的极大关注,因为其添加量较少(通常体积比不超过5%),几乎不增加电池的成本,但却能增加电解液的功能,显著提高电池的性能[1].

锂离子电池在首次充放电过程中会有部分电解液发生不可逆分解反应,在负极表面形成一层固体电解液相界面膜(solidelectrolyteinterphasefilm,简称SEI膜).研究表明,SEI膜性能直接关系电池性能的好坏[2-5].由于电解液与电极材料是直接接触的,因此除了电解液自身的因素,电极材料的表面结构也对电解液以及电极/电解液界面的稳定性有重要影响.锂离子电池现多采用碳材料作为电池的负极,据文献[6,7]报道,碳材料表面存在有一些不规则结构,对电解液的不可逆分解起催化作用,导致了碳材料的电化学性能退化,严重影响电池的性能.研究者们认为,表面修饰会使碳材料表面的催化活性失活[8-10].为此,人们研究开发出了多种电解液添加剂,以期其能在碳负极表面形成性能优良的SEI膜,起到良好的表面修饰作用,保护碳材料,抑制电解液的分解,进而提高锂电池的性能.目前为止,研究最多的添加剂是碳酸亚乙烯酯(VC),据文献[11,12]报道,在电解液中添加少量VC,可以在碳负极表面形成一层以有机物为主的SEI膜,减少电解质盐分解产物(LiF和LixPFy等)的生成量,抑制负极碳的脱落.但是VC不稳定,易发生聚合反应,不易保存.此外,常见的此亚硫酸类添加剂还有乙烯基碳酸亚乙酯(VEC)[13,14]、

乙烯酯(ES)[4,15]等.氟代碳酸乙烯酯(FEC)作为一种新型EC基电解液添加剂,对石墨化中间相碳微球(MCMB)电极和电池性能的影响尚未见报道.本文首先通过电化学性能测试考察了FEC对电池正负极材料的影响,然后通过循环伏安(CV)、扫描电镜(SEM)、能量散射光谱(EDS)、电化学阻抗谱(EIS)等方法着重研究FEC对MCMB电极/电解液界面性质的影响.

电池组装:在手套箱内,以电极片为正极,金属锂为负极,Celgard2400为隔膜,1mol·L-1LiPF6/EC+DMC+EMC(EC、DMC、EMC体积比为1∶1∶1)为基本电解液(东莞杉杉电池材料有限公司,电池级),添加剂FEC(福建创鑫科技开发有限公司,纯度≥99.6%)的体积比为2%(以下同),组装成CR2025型扣式半电池,充放电性能测试在武汉兰电公司生产的CT2001A充放电系统上进行.1.2电化学性能测试

以MCMB电极片为工作电极,锂片作辅助电极和参比电极,采用实验室制的三电极体系作循环伏安测试,扫描速率为0.5mV·s-1;用MCMB/Li半电池进行EIS测试,测试频率范围105-10-2Hz,交流信号振幅5mV.两组测试均使用上海辰华仪器公司生产的CHI660C型恒电位/恒电流仪.EIS数据拟合采用ZSimpWin3.10分析软件.

1.3电极表面SEI膜形貌观察与EDS分析用LEO－1530型场发射扫描电子显微镜(FE-SEM,德国LEO公司)与附带的能量散射光谱仪(EDS,英国Oxford公司)观察电极表面形成的SEI膜形貌及分析SEI膜的元素组成.

2结果与讨论

2.1电池的循环性能

图1为室温下以0.5C倍率充放电的MCMB/Li电池放电容量循环曲线.由图可见,添加剂FEC对电池性能的作用很明显,不含FEC的电池放电比容量较低,且循环性能较差.而添加2%FEC的电池的放电比容量较高,且其循环性能有明显改善,比较稳定.

1实验部分

1.1电池充放电性能测试

电极片的制备:将石墨化中间相碳微球(MCMB)/尖晶石型锰酸锂(LiMn2O4)、粘结剂(PVDF)和乙炔黑按照质量比85∶10∶5混合,添加一定量的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂,将混合物球磨成均匀的浆液后涂在预处理过的铜箔上,在真空干燥箱内于120℃下烘2h,16MPa下压片,得电极片.

图1室温下以0.5C倍率充放电的MCMB/Li电池的循

环性能曲线

Fig.1PlotofcapacityretentionofMCMB/Licellat

0.5Crateatroomtemperature

Thecellchargeanddischargecut-offvoltageswere3.0and0.005V,

respectively.

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No.2许杰等：添加剂氟代碳酸乙烯酯对锂离子电池性能的影响203

流峰,应为添加剂FEC在MCMB电极上的还原分解,并在电极表面形成SEI膜,随着扫描电位的降

低,在0.6V处没有出现溶剂的还原电流峰,表明FEC的添加,能有效地抑制0.6V处溶剂的分解.第二次负扫时两图中的还原电流峰均消失,表明负极上的SEI膜在首次循环过程中基本形成.两图中在0V左右出现的强电流还原峰和0.25V左右出现的强氧化峰分别为锂离子在MCMB电极中的嵌入和脱出.

图2室温下以0.5C倍率充放电的LiMn2O4/Li电池的

循环性能曲线

Fig.2PlotofcapacityretentionofLiMn2O4/Licellat

0.5Crateatroomtemperature

Thecellchargeanddischargecut-offvoltageswere

3.5and4.5V,respectively.

2.3电极表面SEI膜形貌观察与EDS分析在手套箱中将经过2周CV循环后的MCMB

电极片拆下,用溶剂碳酸二甲酯(DMC,易挥发)清洗,除去电极表面残留的电解液,然后放置在手套箱中,待自然晾干后进行SEM观察及EDS分析.电极在电解液中循环之前的形貌如图4(a1,a2)所示,MCMB电极材料颗粒呈球状,没有膜的覆盖,其上的细小纹理在高倍放大图片上清晰可见;在电解液中循环2周后,明显可以看到电极表面被一层膜覆盖,并且两种情况下的电极上的膜是完全不同的.如图4(b1,b2)所示,在不含添加剂的电解液中循环2周后,MCMB电极表面上形成的膜比较厚且粗糙、致密;而在含有FEC的电解液中循环2周后的MCMB电极表面上形成的膜比较薄,见图4(c1,c2),并且在高倍放大图片上可以看到,碳球表面不同位置上膜的厚度是不一样的,原因可能是碳球表面的不规则结构所致,在催化活性位点处,物质反应剧烈,相应的膜物质产物分布则会较多,而在其它处则相对较少.

图5是MCMB电极表面的EDS测试结果,未在电解液中循环的MCMB电极表面只含有C元素,见图5(a),是为MCMB材料本身.在不含添加剂的电

图2为室温下以0.5C倍率充放电的LiMn2O4/

Li电池放电容量循环曲线.从图中可以看出,添加2%FEC对电池的比容量和循环性能影响不大,表明FEC对LiMn2O4材料没有负面作用.综上可知,FEC用作商业化锂离子电池的EC基电解液添加剂,可以改善电池的性能.

2.2MCMB电极的CV行为研究

图3为MCMB电极在1mol·L-1LiPF6/EC+DMC+EMC(EC、DMC、EMC体积比为1:1:1)电解液和添加了FEC的电解液体系中的前二周循环伏安曲线.如图3(a)所示,不含添加剂时,在首次负向电位扫描过程中,在电极电位0.6V左右出现一个还原电流峰,对应于电解液中溶剂组分的还原分解,并形成固体电解质相界面(SEI)膜[16,17];从图3(b)可以看出,添加体积比2%FEC后,在首次负向电位扫描过程中,在电极电位1.0V处出现一新的还原电

图3MCMB电极在不同电解液中的循环伏安图

Fig.3Cyclicvoltammogramsat0.5mV·s-1ofMCMBelectrodeintheelectrolyte

(a)withoutadditive;(b)with2%FEC

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图4MCMB电极表面SEM图

Fig.4SEMimagesofsurfacemorphologyofMCMBelectrodes

(a1,a2)beforecycling;(b1,b2)after2cycleswithoutadditive;(c1,c2)after2cycleswith2%FEC

解液中循环后的电极表面上则多了出氧元素,见图5(b),此结果表明,不含添加剂时,SEI膜的主要成分是碳氧化合物,应为部分电解液溶剂的分解产物.添加了2%FEC后,见图5(c),膜成分中又多出了F元素,结合CV结果,可以推断,电解液中添加FEC后,MCMB电极表面的SEI膜主要应为FEC的分解产物.正因为较高电位处的FEC的分解产物覆盖在了MCMB电极表面,形成了性能优良的SEI膜,才能有效地抑制较低电位下的电解液溶剂的分解.2.4

EIS研究

1.5、0.6、0.05V)下,测在不同的嵌锂电位(2.5、

试MCMB/Li电池的阻抗,以基本电解液作对比,考察在电极表面SEI膜形成过程中添加剂FEC对SEI膜及电池总阻抗的影响.图6所示为不含FEC

和含有2%FEC的电池在首次放电至不同电压处的Nyquist谱图,谱线由两个半圆和一条斜线组成.可以用图7的等效电路表示该体系[18-21],其中,高频区的Rs代表电解液的电阻,为锂离子在电解液中的迁移过程;中频区的并联回路对应的是锂离子在SEI膜中的迁移过程,Rfilm、CPEfilm分别代表SEI膜电阻和界面电容;低频区的并联回路对应的是SEI膜/电极界面双电层电容(CPEdl)和电荷传荷电阻(Rct),W代表的是锂离子在固相中的迁移过程.

由图6明显看出,添加FEC后,电池的总阻抗降1.5、0.6、低很多.经拟合得,在不同的嵌锂电位(2.5、

0.05V)下,不含添加剂的MCMB电极上的膜阻抗值

1082、985.5、1224Ω,添加2%FEC后的分别为821.3、

MCMB电极上的膜阻抗值分别为451.3、467.6、

Fig.5

图5MCMB电极表面的EDS分析

EDSanalysisoftheMCMBelectrodesurface

(a)beforecycledintheelectrolyte;(b)cycledintheelectrolytewithoutadditive;(c)cycledintheelectrolytewith2%FEC

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许

杰等：添加剂氟代碳酸乙烯酯对锂离子电池性能的影响205

图8EC和FEC的化学结构式

Fig.8ChemicalstructuresofECandFEC

图6MCMB/Li电池首次放电至不同电压时的Nyquist图Fig.6NyquistplotsforMCMB/Licellmeasuredat

differentvaltages

(a)withoutadditive;(b)with2%FEC

图9FEC的反应机理

Fig.9ThereactionmechanismofFEC

20.22、26.39Ω.两组数据结果显示,随着电压的降低,不含添加剂的膜阻抗值增大,而含有添加剂的膜阻抗明显降低,0.05V时,不含添加剂的膜阻抗比含有添加剂的膜阻抗高近50倍.由此可见,添加FEC后,在MCMB电极表面上形成了一层薄而稳定的、比较有利于锂离子通过的优良SEI膜,因此MCMB/Li电池的阻抗降低,电池的循环性能得到提高.2.5

FEC反应机理研究

从结构上来看,FEC比EC多了一个氟取代基团(如图8所示),此基团有很强的吸电子能力,因此可以解释在较高的电位下,FEC即可发生还原分解反应.由EDS分析知,添加FEC后,MCMB电极表面的SEI膜的主要成分元素有C、O、F,其中的F应是来自FEC的分解,由此提出图9所示的FEC分解反应机理,FEC中C襒O上的O与Li+有强配位

作用,得到外界一个电子后还原生成一自由基负离子中间体M,M有很高的反应活性,比如可以发生二聚反应或与其它反应中间体发生反应生成其它产物等.在较高还原电位下,生成的含氟产物首先占据MCMB电极表面的活性位点,能有效抑制较低电位下电解液溶剂的分解.

3结论

在电解液中添加2%FEC能显著提高MCMB/Li电池的比容量、循环性能等,且FEC对LiMn2O4材料没有消极作用.CV结果表明,添加剂FEC在较高的电位下发生了还原分解反应,有效地抑制了较低电位下电解液溶剂的分解还原,MCMB电极表面的SEI膜在首次放电过程中基本形成;SEM、EDS、EIS结果表明,在电解液中添加2%FEC,MCMB电极表面的SEI膜主要由FEC的分解产物形成,其膜层比较薄且稳定,有利于锂离子脱嵌,降低了MCMB电极上的SEI膜阻抗及电池的总阻抗.MCMB电极表面上形成性能优良的SEI膜是电池性能得到提高的主要原因.根据实验结果,提出了FEC的分解反应机理.

图7MCMB/Li电池等效电路

Fig.7EquivalentcircuitforMCMB/Licell

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Soc.,2002,149:A1218

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致谢：感谢福建创鑫科技开发有限责任公司提供FEC添加

剂.

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