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锂离子电池阻燃剂与锂离子电池负极材料的相容性 磷酸三甲酯

来源:邵君( 先生,国内国际部经理 ) 发布时间:2016-9-14 16:42:47
锂离子电池阻燃剂与锂离子电池负极材料的相容性实验中,为了提高阻燃剂磷酸三(2-氯丙基)酯(TCPP)与锂离子电池负极材料中间相碳微球(MCMB)的相容性,在不同TCPP浓度电解液中研究了MCMB的循环伏安和充放电行为。结果表明:当电解液中TCPP的浓度为20%(体积比)时,MCMB/Li电池的首次充电比容量由空白电池的350mAh/g增加到420mAh/g,且1V处平台的容量增加。当TCPP的浓度增加到30%时,MCMB已经不能进行充放电循环。当把MCMB在空白电解液中预循环后,在30%TCPP电解液中可以进行充放电,相应的MCMB/Li电池的充放电实验也得到了相似的结果。热解炭黑与阻燃剂TCPP有较好的相容性。

锂离子电池的工作电压高,采用碳酸酯类组成的有机电解液。这类有机电解液在满足高电化学稳定性的同时,也带来了容易燃烧的问题。锂离子电池电解液所采用的有机溶剂的闪点相对较低(如,DMC:17;EMC:23;DEC:33),当电池过充电或受热时,电解液易发生不可逆的氧化分解或热分解,产生大量的可燃性气体,并引起电池的内压骤升,一旦电池的外壳胀裂,易发生燃烧、爆炸等问题。安全问题一直制约着锂离子动力电池的应用。电解液的燃烧反应通常是氢氧自由基参与的链式反应,在锂离子电池电解液中添加阻燃剂,可有效地降低电解液的可燃性。

阻燃剂磷酸三(2-氯丙基)酯(TCPP)具有较好的阻燃效果,也具有较好的电化学稳定性,其氧化电位可达4.7V(vsLi/Li+)[5]。锂离子电池的阻燃剂要与电池的正负极材料有较好的相容性。本文作者研究了阻燃剂影响锂离子电池负极材料性能的原因,通过预循环,提高了阻燃剂与负极材料的相容性。

按照文献的方法制备中间相碳微球(MCMB)粉末微电极(下文简称MCMB电极),以金属锂片(北京产,99.9%)为对电极和参比电极,采用双电极体系,在含不同浓度TCPP(江苏产,CP)的电解液中进行循环伏安扫描,空白电解液为1mol/LLiPF6/EC+DMC(体积比1:1)电解液。所用仪器为CHI660B电化学工作站(上海产),扫描速度为20mV/s。


(TMP)用途

用途一:锂离子电池用阻燃添加剂

用途二:主要用作医药、农药的溶剂和萃取剂

用途三:用作测定锆的试剂、溶剂、萃取剂及气相色谱固定液。

用途四:锆的测定。气相色谱固定液(最高使用温度50,溶剂为乙醚)。溶剂。萃取剂。半导体扩散源。

用途五:主要用作医药和农药的溶剂及萃取剂。农药中间体。在日本,主要用作纺织油剂和聚合物的防着色剂。

用途六:医药、农药的溶剂和萃取剂,用作测定锆的试剂、溶剂、萃取剂及气相色谱固定液, 也用作医药和农药的溶剂及萃取剂。在日本,用作纺织油剂和聚合物的防着色剂,锂离子电池用阻燃添加剂。


锂离子电池阻燃剂与锂离子电池负极材料的相容性实验中配制不同TCPP浓度电解液,以MCMB为正极,金属锂片为负极和参比电极,组装MCMB/Li模拟电池,研究阻燃剂对负极材料性能的影响,充放电电流为50mA/g,采用BTS-0550型电池测试系统(深圳产)。

不同TCPP浓度电解液MCMB/Li电池的首次充电曲线可以看出:与空白电池的首次充电曲线相比,20%TCPP电解液的MCMB/Li电池从1V起出现一个较大的平台。一般认为:在此电位下发生电解液的还原,还原产物在碳电极表面形成了SEI膜。

由此推测,此时TCPP已经在MCMB的表面发生了反应。MCMB/Li电池的首次充电比容量也由空白电池的350mAh/g增加到420mAh/g。当TCPP的浓度增加到30%时,MCMB/Li电池的充电曲线上1V处的不可逆容量大幅增加,首次充电比容量达到了约650mAh/g,电压也未下降到截止电压,随后不能再进行放电循环,表明此时MCMB的结构已经被破坏。

MCMB电极在不同TCPP浓度电解液中的循环伏安曲线可以看出:与空白电解液中MCMB的循环伏安曲线相比,当电解液中含有20%TCPP时,曲线在约1V处开始出现一个较大的还原峰,与图1中1V处的平台相对应,并且在第2次循环时消失,从电流峰的位置和形状上看,非常类似于SEI膜的形成。

由于锂离子电池阻燃剂与锂离子电池负极材料的相容性的实验结果已经表明:TCPP非常稳定,即使在接近金属锂的电位下也不发生还原,因此可以推测约1V处出现的还原峰很可能与PC在石墨电极上发生的共嵌入反应类似。这一方面可能是由于电解液中加入了较高浓度的阻燃剂,降低了电解液形成SEI膜的能力,导致溶剂的共嵌入;另一方面也可能是由于阻燃剂与Li+的作用较强造成的。

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