新型含硫功能添加剂的合成及其硅碳基锂离子电池高性能化应用的研究

Electrolytes play an important role in lithium-ion batteries (LIBs), and influence the application of high-energy density materials. As the component of electrolyte, the use of additives has been widely regarded as one of efficient routes for improving the electrochemical performance of LIBs. To resolve the problems for the application of high-energy materials, a series of additives will be designed and adopted for improving electrolytes when silicon/carbon-based materials are applied in LIBs. Based on calculation chemistry, a series of functional groups of compounds will be selected for preparing new type sulfur-containing electrolyte additives, and the performance of electrolyte will also be improved. As a result, the electrochemical properties of silicon/carbon-based anode in LIBs will be enhanced efficiently. Using several analytical and characterization methods, the effects of additives on SEI film on the surface of silicon/carbon-based electrodes as well as their electrochemical properties will be investigated in detail, and interaction between additives and SEI films will also be explored. Based on the research results, a possible route will be paved for applying silicon/carbon-based electrodes in LIBs in future.

电解液对锂离子电池性能起着至关重要的作用，直接地影响高能量密度电极材料的实际应用。添加剂作为电解液的重要成分，是改善锂离子电池性能最简便、最有效的技术途径之一。针对目前高能量密度负极材料存在实际应用难的问题，拟通过添加剂改善电解液性能入手，开展硅碳基锂离子电池高性能化研究。基于理论计算，筛选化合物官能团，制备新型含硫添加剂，达到改善电解质溶液的性能，从而有效地提高硅碳基锂离子电池的电化学性能，满足高能量密度电极材料应用的需求。利用系列分析与表征手段，研究和揭示添加剂对硅碳基电极材料表面上形成SEI膜性质的影响以及这些影响与电化学性能之间的内在关系，阐明添加剂与SEI的相互作用机制，为研制新型添加剂和硅碳基电极材料高性能化提供理论依据，也为硅碳材料的实际应用奠定基础。

硅作为合金类负极材料，因其具有最高的理论比容量（4200 mAh/g）和较低的脱锂电位（<0.5V），而成为锂离子电池碳基负极升级换代的富有潜力的选择之一。但是硅基负极在充放电过程中会发生巨大的体积变化并且自身电导率低，导致电池容量快速衰减，从而限制了它的大量实际应用。使用添加剂是改善和提高锂离子电池性能最简便、最有效的技术途径之一。通过在电解液中加入添加剂，以形成具有优良性质的界面膜，是实现硅基锂离子电池的高性能化（循环稳定性、高低温性、安全性、倍率性等）一个十分有效的手段。SEI 膜组分中硫的存在，能够有效降低电极和电解质反应的活性，抑制溶剂分解等副反应的发生，并且硫的存在提高了SEI膜中的导Li+性能，也改善了电极/电解质的相容性，降低了内阻，从而提高电池性能。针对上述问题，拟开展了用于硅碳负极材料的新型含硫添加剂的研制，从而提升硅碳基锂离子电池的电化学性能，满足高能量密度锂离子电池的需求。分别从添加剂分子的计算筛选、合成纯化及应用效果和作用机理展开。.1. 通过官能团设计，初步设计可能的添加剂结构。通过DFT计算添加剂的最高占据分子轨道能量（HOMO）和最低空置分子轨道能量（LUMO），得到一些可能的添加剂分子。.2. 通过合适的合成路线合成目标添加剂，初步测试电池性能，最后确定最终的添加剂分子。.3. 通过电池性能测试，分析和表征手段，揭示添加剂对电极材料表面形成SEI膜的影响以及这些影响与电化学性能之间的联系。.通过系统的研究，揭示添加剂对电极材料表面上形成的SEI膜的性质的影响以及这些影响与电化学性能之间的内在关系，阐明添加剂与SEI 的相互作用机制，为研制新型添加剂和硅碳电极材料高性能化提供理论依据，也为硅碳材料的实际应用奠定基础。