锂离子电池中正负电极间的相互作用与机理研究

锂离子电池作为动力汽车的首选电源，正在向高能量、高功率密度、长寿命、低造价和高安全性发展。长期以来，人们对锂离子电池的研究一直集中在关键材料的制备和优化方面，而对这些关键材料在电池长期电化学循环过程中的相互作用及其对电池性能的影响缺乏认识。本研究拟以动力锂离子电池常用的正极材料和石墨类碳负极材料为研究对象，探讨整体锂离子电池在长期电化学循环过程中正负极间相互作用以及这种相互作用对电池寿命、容量和倍率性能等的影响，借助SEM、EDX、XRD、FTIR等现代光谱学技术研究正极对负极以及负极对正极的作用情况，使用ICP方法测定不同条件下正极中的过渡金属阳离子在负极表面的沉积量和负极对正极的锂消耗量，剖析锂离子电池正极与负极间相互作用的微观机制，寻找抑制二者之间相互作用的方法，为开发长寿命锂离子电池提供科学支撑。

20余年来，人们对锂离子电池的研究一直集中在关键材料的制备和优化上，而对这些关键材料在电池长期循环过程中的相互作用及其对电池性能的影响缺乏认识。本研究使用动力和储能锂离子电池常用的正极材料和碳负极材料，通过电池工艺优化包括电极片的制作、非电极活性物质种类和配比、电解液组成和电池工作条件等，制作了不同种类的整体锂离子电池，实现了在实验室对MCMB/LiFePO4电池和MCMB/ LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2等电池上千次循环试验。以此为基础，探讨了整体锂离子电池在长期循环过程中正负极间相互作用以及这种相互作用对电池寿命、容量和倍率性能等的影响，借助SEM、EDX、XRD、FTIR等现代光谱学技术研究了正极对负极以及负极对正极的作用情况，使用ICP方法测定了多种正极活性物质中的过渡金属阳离子如Co、Mn、Ni、Fe在常用有机电解液中的溶解，研究了整体电池长期循环后，石墨负极上的过渡金属元素的沉积情况，结合电池的阻抗变化，揭示了锂离子电池长期循环过程中正极对负极作用的机理。通过对电池容量衰退的原因诊断，发现锂损失是LiFePO4等许多锂离子电池容量衰退的最关键原因，测定了电池碳负极表面SEI 膜含锂量及其随电池循环次数的变化情况，把碳负极表面SEI膜含锂量的变化情况与正极缺锂情况和电池容量衰退结合起来，阐述了电池循环过程中负极对正极的影响和作用。进一步通过电解液组成优化、粘结剂优化、电极孔率优化和石墨表面包覆等方法，探索了抑制二者之间相互作用的方法和途径，特别是通过抑制电池内部活性锂消耗显著提高了电池的寿命，这些工作对深入理解和认识锂离子电池工艺技术中的科学问题和提高锂离子电池工业的科学和技术水平具有明确的指导意义。. 通过本课题的实施，课题组先后在国内外有影响的学术刊物如J. Phys.Chem. C, J. Power Sources, Electrochemica Acta，Journal of Materials Chenistry A, Nanoscale, RSC advances, Electrochem. Commun等期刊发表论文近20篇，在同行中产生了一定的学术影响，成功申请和承办了第十七次全国电化学大会，参加人数超过2600人，申请国家发明专利3项，2项已获得授权，参加国内外学术会议11次，培养青年教师和研究生7名。