Page 174 - 《精细化工》2021年第10期
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·2104·                            精细化工   FINE CHEMICALS                                 第 38 卷

                 在锂离子电池中，电解液对隔膜的润湿效果是                          AR，广东烛光新能源科技有限公司；TFPMA、N-
            一个很重要的指标。在电池的工业生产中，电池组                             甲基吡咯烷酮（NMP），AR，上海阿拉丁生化科技
            装时需要电解液能够快速地浸润隔膜，最快最好地                             股份有限公司；聚乙烯（PE）隔膜（25 μm），电池
                             [1]
            发挥电解液的性能 。除此之外，电解液润湿性的                             级，日本 Asahi Kasei 公司；聚偏氟乙烯（PVDF），
            改善，能够有效降低电池内阻，提高电池的倍率性                             电池级，中国电子科技集团第十八研究所；导电炭
              [2]
                                               [3]
            能 ，也能够促进电极材料的容量释放 。另外，电                            黑（Super P），电池级，瑞士 Timcal 公司；铝箔，
                                               +
            解液良好的润湿性也会很好地改善 Li 在电池内部                           电池级，深圳智达科技有限公司；金属锂片，电池
                          +
            的流动，促进 Li 在电池内部的均匀分布和电极材料                          级，天津中能锂业有限公司；铜箔，电池级，深圳
                       [4]
            的均匀沉积 。通过提高电解液润湿性来提高电解                             晶亮铜业有限公司。
            液注液速度和电池性能是一种非常有效的手段。                                  DSA100 型接触角测量仪，德国 Kruss 公司；
                 锂金属具有理论比容量高、电化学电位低等特                          GRS-SD100L 型极片对辊机，武汉格瑞斯新能源有
            点，是下一代高能量密度二次电池负极材料的重要                             限公司；IM6e 型电化学工作站，德国 Zahner 公司；
                 [5]
            候选 。但锂金属负极存在锂枝晶等缺点，抑制了                             CT2001A 型电池测试系统，武汉蓝电电子股份有限
                                                        [6]
            锂金属电池容量的发挥，也会产生很多安全隐患 。                            公司；S4800 型场发射扫描电子显微镜（SEM），日
                                  [8]
                    [7]
            RYOU 等 和 ZHENG 等 分别从隔膜和电解液角度                       本 Hitachi 公司；Escalab 250Xi 型 X 射线光电子能
            来提高电解液对隔膜的浸润效果，从而达到了通过                             谱仪（XPS），美国 Thermo Fisher Scientific 公司。
                   +
            促进 Li 均匀流动和锂金属的均匀沉积来减少锂枝                           1.2   方法
            晶、稳定锂负极的效果。研究表明，提高电解液与                             1.2.1   电解液的配制
            隔膜间的润湿效果能够有效减少锂枝晶。除此之外，                                作为与基准电解液体系的对照，配制添加不同
            锂金属负极上的固体电解质界面（SEI）膜也对锂枝                           质量分数（0.1%、0.2%、0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、
            晶有较大的影响        [9-10] 。均匀的 SEI 膜成分和结构也             4.0%）TFPMA 的 1 mol/L LiPF 6 /PC 电解液。TFPMA
                                      +
            能够促进锂金属负极表面 Li 的均匀分布，达到促进                          使用前用分子筛进行除水操作。
            锂金属均匀沉积的效果，同时，强度较大的 SEI 膜                          1.2.2   电极的制备
            也能够有效抵挡锂金属负极循环过程中产生的形                                  将活性物质 LiFePO 4 、黏结剂 PVDF 和导电剂
            变，抑制锂金属负极的形变和性能恶化                   [11-12] 。      Super P（10 mg）按质量比 8∶1∶1 称取备用。首
                 有机锂盐 LiTFSI〔LiN(CF 3 SO 2 ) 2 〕含有的氟代          先在 PVDF 中加入适量 NMP 研磨均匀，依次加入
            烷基官能团具有降低电解液表面张力的作用                     [13] 。但    Super P、LiFePO 4 和适量 NMP 继续研磨直至形成
            其在电解液溶剂中的添加量较大，成本较高，并且                             均匀的膏体，将其均匀涂覆在预处理过的铝箔上，
            其电导率相对于无机锂盐如 LiPF 6 等较低。除此之                        其中 NMP 总用量为 50 μL。在 85  ℃鼓风干燥箱中
                          –
            外，N(CF 3 SO 2 ) 2 对铝箔具有腐蚀性，在电压较高的                  干燥 1 h 后，用对辊机在 1 MPa 压力下进行滚压，
            情况下容易对正极集流体铝箔造成损害                   [14] 。氟代有      滚压后的极片随后在真空干燥箱中 85  ℃下干燥
            机溶剂 2,2,3,3-四氟丙基甲基丙烯酸酯（TFPMA）                      12 h。最后将烘干的极片裁剪成直径为 12 mm 的圆
                             –
            具有和 N(CF 3 SO 2 ) 2 相似的氟代烷基官能团和两亲结                 片并作为工作电极，活性物质载量为 2.2 mg/cm                   2
            构，曾用作合成疏水多孔高分子材料的单体                     [15] 。     左右。
                 作为非离子溶剂，TFPMA 不会对原体系的黏度                       1.2.3   电池的组装
            和电导率等性质造成明显影响，不含有对集流体有腐                                组装不锈钢电极为正负极的 SS-SS 电池用于阻
            蚀的结构。因此，本文将以 TFPMA 作为碳酸丙烯酯                         抗测试。
            （PC）电解液润湿性添加剂，探究其对电解液润湿                                组装金属锂片为负极、LiFePO 4 电极为正极
            性的改善，以及由此带来的锂金属电池性能的变化，                            的 Li-LiFePO 4 电池用于充放电倍率和恒电流循环
            探讨其对锂枝晶的抑制作用，研究 TFPMA 稳定锂金                         测试。
            属负极、抑制锂枝晶的双重机理，旨在提供一种简                                 组装金属锂片为负极、铜箔为正极的 Li-Cu 电
            易、高效的提高电解液润湿性、抑制锂枝晶的方法。                            池用于库仑效率测试，组装正负极均为金属锂片的

                                                               Li-Li 电池用于恒电流充放电测试。
            1   实验部分
                                                                   以上电池的隔膜均为 PE 隔膜，电解液均为
            1.1   试剂与仪器                                        添加不同质量分数 TFPMA 的 1 mol/L LiPF 6 /PC 电
                 LiPF 6 /PC（1 mol/L）、磷酸铁锂（LiFePO 4 ），          解液。
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