摘要
化石燃料的大量使用所排放的气体不仅造成严重的空气污染，还带来了全球变暖等严重后果。因此在过去的几十年里，风能、太阳能、潮汐能等绿色可再生能源受到广泛关注。但这些能源的储存和转换问题极大地阻碍了其开发利用。可充电的锂离子电池被认为是一种高效的储能技术，已成功应用在便携式电子产品、电动汽车等众多领域。然而，目前应用在商业化锂离子电池的石墨负极理论比容量较低，仅有372mAhg-1，无法满足尖端电子设备对能量密度的高期望。锂金属负极由于其极高的理论容量(3860mAhg-1)和最低的电化学电位(-3.04Vvs.标准氢电极)被认为是下一代二次电池理想的负极材料。然而，在连续的充放电过程中锂枝晶的生成引起的安全性和循环寿命短等问题阻碍了锂金属电池的商业化发展。此外，目前锂电池常用的酯类和醚类电解液基本上都是高度易燃的，同样会带来安全隐患。因此，如何在降低电解液燃烧性的基础上抑制锂枝晶的形成是一个亟待解决的问题。 针对上述问题，本文以氟代磷腈作添加剂，分别针对酯类和醚类电解液开发出了具有双功能效果的电解液体系。一方面可以降低电解液的燃烧性，使电解液由可燃变为不可燃，另一方面可以在锂负极表面形成能够抑制锂枝晶生长的固态电解质界面(SEI)层，从而提高锂金属电池的电化学性能。具体研究内容如下:(1)研究了基于(三氟)乙氧基五氟环三磷腈(TFPN)阻燃剂的锂金属电池的性能。合成了一种新型的阻燃添加剂-TFPN，在基于酯类的电解液体系中，燃烧测试表明仅5％的添加量就能使电解液达到不可燃的目的，具有很好的阻燃效果。此外，TFPN在锂金属表面形成了富含LiF的SEI层，可以抑制枝晶状锂的生成。在含5％TFPN的电解液中，以LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2为正极的锂金属全电池表现出更高的可逆容量和明显提高的容量保持率。 (2)研究了基于六氟环三磷腈阻燃剂(HFPN)的锂金属电池性能。在基于醚类的电解液体系中，引入了HFPN作为醚基电解液的共溶剂。由于较低的沸点，使得HFPN在醚类电解液中发挥了更好的阻燃效果。在添加量为20％时就可使电解液不可燃。由此制备的1MLiTFSI/DME-HFPN(v/v,4∶1)电解液还解决了醚类电解液4V以上不稳定的问题。此外，HFPN的引入在锂金属负极表面形成了一层富含F和N元素的致密均匀的SEI层，能够稳定锂/电解液界面且抑制锂枝晶的形成。在1MLiTFSI/DME-HFPN电解液中，以LiCoO2为正极的锂金属电池(充电截止电压为4.2V)循环100周后的仍有95％的容量保持率。
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