新離子型添加劑對高鎳鋰離子電池性能的影響研究

許磊

摘 要：鋰離子電池是一種二次電池，能夠依靠鋰離子的自由移動，實現充放電功能，是我國當前大力倡導的綠色能源材料，有著廣泛的應用領域和巨大的生產價值。為此，文章將通過設計相關測試性能實驗來全面分析新離子型添加劑對高鎳鋰離子電池性能產生的相關影響，從而優化高鎳鋰離子電池的研究與開發，使相關產業能夠更好地應用新離子型添加劑，以望借鑒。

關鍵詞：新離子型添加劑;高鎳鋰離子電池;電解液

中圖分類號：TQ152文獻標識碼：A文章編號：1674-1064（2021）08-001-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.08.001

高鎳鋰離子電池本身具有極強的不穩定性，需要在電解液中使用添加劑使其負極表面形成鈍化膜，以此提高離子的穩定性，確保電池不會受外部因素影響，產生有毒有害物質。為了進一步優化傳統有機添加劑的溶解效果，提高鋰離子電池的應用性能，文章將以2D添加劑投入到石墨電池中作為研究實驗，通過分析高鎳鋰離子電池倍率、高溫循環、高溫存儲的性能變化，判斷新離子添加劑對高鎳鋰離子電池性能產生的具體影響。

1 實驗過程

1.1 配置電解液、組裝電池

首先要將C3H4O3和C4H8O3按照3：7比例進行混合，再加入1mol/L的LiPF6，之后分別將其倒入質量比為0.45%的新離子添加劑和0.45%的傳統成膜添加劑中，得到基礎電解液、0.5%新離子電解液、0.5%傳統成膜電解液以及0.5%新離子電解液+0.5%傳統成膜電解液。而電池的組裝則由石墨和金屬粒紐扣組成，通過測試新離子添加劑對電極阻抗的影響，選擇傳導能力較好的CELGAR2145作為電池隔膜，石墨為正極材料，金屬鋰片為負極材料。在進行軟包電池組裝時要注意脫去電芯的水分，并剪開內置電池氣袋，將其進行真空烘干處理后，再進行注液工作。

1.2 添加劑的成膜特性

完成電解液的制作與電池組裝后，需要對石墨負極成膜特性進行分析研究。將上述四種電解液依次注入到石墨軟包電池中，利用電池測試系統，對四十五度下的電池性能進行檢測，并采取的標準倍率電流進行恒向充電，確保電池表面能夠形成穩定、緊致的SEI隔膜。之后記錄第一次充電時產生的電壓與容量變化，為后續研究、分析提供數據支持。最后，將組裝好的鋰離子電池進行放電循環處理，當電池電量處于半滿狀態時，利用相關測量儀器進行交流阻抗數值的檢測。

1.3 測試電池性能

1.3.1 倍率性能

測試時，要確保鋰離子電池的放置環境溫度不超過30℃、空氣濕度小于50%，以此避免空氣與濕氣對金屬薄層產生氧化、腐蝕作用，之后對高鎳鋰離子電池進行1倍率的電量充能，并分別采取0.5、1、2、3倍率放電，保證每個倍率進行七圈的性能測試，確保實驗數據完整、全面，降低誤差產生的可能性。

1.3.2 存儲性能

第一，實驗人員要對高鎳鋰離子電池進行充電工作，確保其達到4.2V滿電狀態。第二，將其放置在60℃的高溫烘箱內，利用測試系統對高鎳鋰離子電池進行1倍率的放電處理，在放電過程中要確保放電容量不能超過電池保存容量，以免造成電池損耗嚴重甚至損毀的情況產生。第三，以1倍率的充放電速度完成循環1周的處理，并保證放電容量與恢復容量相等，利用能量色散譜對高溫存儲后的石墨負極進行數據檢測，判斷電池性能產生的相關變化。

1.3.3 高溫循環

在45℃的常溫環境下，對高鎳鋰離子電池軟包進行1倍率的充放電循環測試，確保測試時的充放電電壓處在3V～4.2V之間，避免電壓不符合電池的使用標準，產生鼓包、漏電等現象，影響其正常使用。在進行充放電循環后，記錄電池此時的電容量數值，并將其與測試前的電容量進行比對，分析是否存在外部因素導致的測量誤差，如果有，需采取溫度調節、涂抹碳層等措施，降低其對實驗數值產生的影響。最后，對循環后的電池進行體積測試，分析電池的產氣情況[1]。

2 結果分析

2.1 研究成膜特性

高鎳鋰離子電池在電解液的一次充電時，會在石墨表面形成沉積物，其成分為相關固體電解質形成的SEI隔膜，能夠阻止相關電解液的進一步分解，從而確保實驗能夠分次進行，避免電解液的重復制作。根據實驗測量數據可知，基礎電解液的反應峰值是電壓處在2.8V左右時，而碳酸乙烯酯也正是在此時產生分解反應，并在石墨負極表面形成SEI隔膜。在添加0.45%傳統添加劑后，基礎溶解液的反應峰值出現在電壓為2.7V時，此時碳酸乙烯酯的還原效果不明顯，說明傳統添加劑在電池負極形成具有高強阻抗性的鈍化膜，抑制碳酸乙烯酯的分解。而當新離子型添加劑加入到溶解液中時，碳酸乙烯酯的成膜效果也不突出，則證明新離子型添加劑的成膜點位高于碳酸乙烯酯，石墨負極會優先選擇相對鈍化的碳酸乙烯酯形成SEI膜，以此達到抑制電解液進一步反應的目的。除此之外，在同時含有離子型添加劑和傳統添加劑的高鎳鋰離子電池內，會在電壓處在2.1V時出現成膜特性，并明顯高于新離子型添加劑單獨添加時產生的效果。當電壓持續增加到2.7V時，傳統添加劑成膜特性會大幅削減，則證明兩種添加劑同時使用時，新離子添加劑會先于傳統添加劑在石墨負極形成SEI隔膜[2]。

SEI隔膜阻抗是影響高鎳鋰離子電池內部阻抗和倍率性能的重要因素，由上述實驗測量可知，當處在2V脫鋰狀態時，負極電池的電流幾乎停止傳遞，證明不管是何種形式的添加劑都不會影響溶液電阻的變化。而在基礎電解液中添加傳統添加劑或新離子型添加劑，則能夠降低SEI隔膜的阻抗能力，當二者同時存在時，會使SEI隔膜的阻抗數值有所上升，并且隔膜密度更緊致。由此可看出，將新型離子添加劑加入到1mol/L的六氟磷酸鋰中，會使電解液的分解性能有效提高，從而提高鎳鋰離子電池的使用性能，加強其協同作用。

2.2 新型添加劑在高鎳鋰離子電池中的性能測試

2.2.1 倍率測試

電池容量的保持率與高鎳鋰離子電池的穩定性有直接關系，如果軟包電池在恒定1倍率的速度下進行充電，則電池容量不會產生明顯變化。當充電速度達到5倍率時，則電池容量會呈現大幅下滑趨勢，造成電池性能衰減，影響后續的放電循環工作。此外，通過實驗數據分析可知，雖然正極涂層材料會影響倍率性能，但對電池本身不會產生影響，因此可排除外界因素對數據造成的誤差。

在對高鎳鋰離子電池進行3倍率的放電工作時，基礎電解液電池和傳統添加劑電池容量會降低衰減效率，只有新離子型添加劑電池的容量依然保持大范圍的衰減趨勢，使后續充電容量遠遠達不到供給需求。當進行5倍率放電時，電池石墨端的極化現象較為嚴重，容量變化超過實際標準范圍，使電容量的區分更為明顯。以1、2、3倍率進行循環時，傳統添加劑的電池容量會高于新離子型電池容量，證明兩者在進行復合添加時能夠呈現良好的協同作用。為了進一步提高倍率性能變化的判斷準確性，需要對常溫下的鋰離子電池進行放電循環處理，在循環120周后，可發現含有新離子型添加劑和傳統添加劑的電池仍然保持超高的電量保持率。而對于僅含任意一種添加劑的電池容量來說，其電容量會衰減至原本的80%左右。由此可知，當兩種添加劑進行負荷使用時，會有效抑制電池的電流流動，降低電池的內部阻抗，從而提高高鎳鋰離子電池的倍率性能[3]。

2.2.2 高溫存儲實驗

該實驗重在檢驗鋰離子電池的穩定性，從而分析新離子型添加劑對電池高溫存儲性能的影響。首先要記錄在上述實驗過程中產生的電壓與電阻數據，通過研究可知，當存儲時長超過200小時后，含有0.5%的新離子添加劑電池電壓和電阻變化遠低于其他類型的鋰離子電池，說明電池在高溫環境下會被新離子添加劑抑制電池的放電工作，起到保護電池電容量的作用。在進行石墨負極表面檢測時，能夠發現相關材料包含大量的金屬陽離子，證明電池的能量消耗并非由還原反應引起，而且大多金屬陽離子的活躍性較強，導致電解液電壓下降速度較快，使電池的能量損失進一步加重。由此可看出，電池之所以會出現功率的大幅度衰減是由于副邊反應引起的。在添加過程中，電解液與相應試劑生成的副產物會聚集在電極表面，隨著電池阻抗的增長，其產量也越來越多，進而使含有新離子型添加劑電池更加穩定。

2.2.3 循環測試

在高溫循環測試中，高鎳鋰離子電池的電容量會隨著電壓的增加而提高，在45℃的環境中，電解液的衰減速率也會進一步加快，而且當進行200周以上的循環后，含有新離子添加劑的電池容量會保持在90%左右，含有傳統添加劑的電池容量會維持在85%左右，而二者共存的電池容量則保持在87%。這說明雖然高鎳鋰離子電池受倍率的影響較低，也會隨著電壓的提升而擴大電容量，但如果缺少電解液的有效協調，仍然無法有效維持當前電池容量，如果缺少足夠的電阻抑制能力，會使容量的衰減幅度更加明顯。

收集高鎳鋰離子電池在循環后產生的氣體可知，基礎溶解液電池產生的氣體量為0.08V/ml，0.5%傳統添加劑電池產生的氣體量為0.075V/ml，0.5%新離子型添加劑電池產生的氣體量為0.06V/ml，而含有混合添加劑電池產生的氣體量為0.065V/ml。由此可看出，含有新離子型添加劑產生的氣體量最少，且電池內部更加穩定，不會因氣體膨脹而影響電容量的大小，但在高溫環境下，會使電池內部反應更加活躍。其石墨端的鈍化膜不夠穩定，極易受到破壞，如果電極受到影響，會直接造成電池容量損失。

3 結語

綜上所述，通過配置電解液、組裝電池、分析添加劑的成膜特性，并進行倍率性能、存儲性能、高溫循環等實驗測試，可得出下列結論：新型添加劑能夠明顯降低高鎳鋰離子電池膜的阻抗能力，使電池內部鋰離子活動更加穩定，降低其產氣量，改善電池高溫性能;高鎳鋰離子電池具有良好的還原電位功能，能夠提高電池的倍率和高溫循環性能，并有效減緩內部阻抗的增長，延長電池的使用壽命。

參考文獻

[1] 范偉貞，曹哥盡.電解液添加劑PHS對LiNi_（0.8）Mn_（0.1）Co_（0.1）O_2鋰離子電池性能的影響[J].電鍍與涂飾，2021，40（9）：726-730.

[2] 高曉潔，朱鑫，白明學.以離子液體為流動相添加劑的HPLC法測定30批不同產地吳茱萸中8種生物堿的含量[J].沈陽藥科大學學報，2021，38（4）：363-372.

[3] 田成光，張效勝，董晉湘.鈉離子交換型層狀磷酸鋯作為鈣基脂添加劑的摩擦學性能[J].潤滑與密封，2021，46（4）：62-69.