基于石墨负极的锂离子电容器电解液设计及其性能研究.pdf
摘要
作为一种新型的混合储能器件,锂离子电容器在近年来受到广泛关注。它不仅
能够像双电层电容器一样进行快速充放电,同时具有更高的能量密度,还具有比锂
离子电池更高的功率密度以及循环性能,将其应用在混合动力汽车以及大功率启动
装置上可以同时满足设备对能量和功率的需求。然而,锂离子电容器在工作过程中
需要具有长循环稳定性,并能够在较宽的温度范围内工作,这对电解液提出了很高
的要求。基于以上问题,本论文从提高倍率性能的角度出发,提出了两种适用于高
倍率石墨负极的电解液设计准则。
1)本文提出了利用高浓度电解液来实现乙腈在石墨负极上的应用。创新之处在
于通过加入稀释剂的方法制备局部高浓度电解液。在降低电解液粘度的同时,保留
高浓度特性,来进一步实现乙腈在石墨负极的实际应用。同时,局部高浓度独特的
AN
溶剂化结构克服了乙腈还原稳定性低的问题,还保留了固有的高氧化稳定性。
而且,在局部高浓度AN电解质中,锂可高度可逆地插层到石墨电极中,扩展了溶
剂的阳极稳定性,促进了锂盐参与SEI的形成,具有优异的快速充电能力,在5C
倍率下,石墨负极的放电比容量为208mAhg−1。
2)以LiFSI作为电解液锂盐,1,3-二氧五环(DOL)作为溶剂,制备了一种快
充型电解液。醚类溶剂因具有较碳酸脂类溶剂更优越的稳定性而得到了广泛关注,
目前多数研究集中在了醚类电解液在锂金属电池、锂硫电池、固态电池上的应用。
其中,DOL溶剂一直被排除在含有LiFSI的液态电解质之外,只因其加入LiFSI后
会发生开环聚合反应,导致无法获得稳定的液态电解质。本论文通过加入微量硝酸
锂,使得DOL的聚合程度和聚合时间达到可调控目的,制备出1MLiFSIDOL电解
-1
液和2MLiFSIDOL电解液。前一种电解液使快充石墨负极在10C(1C372mAhg)
电流密度下实现了303mAhg-1的长循环容量且在0.2C下循环100圈后无明显容量
衰减,即使在20C下,仍能保持215mAhg-1的高可逆容量。
关键词:锂离子电容器;石墨负极;快速充电;局部高浓度电解液;醚类电解液
I
ABSTRACT
Asanewtypeofhybridenergystoragedevice,lithium-ioncapacitorshavereceived
widespreadattentioninrecentyears.Itisnotonlycapableoffastchargingand
discharginglikeadoublelayercapacitor,butalsohashigherenergydensity,higherpower
densityandhighercyclingperformancethanlithium-ionbatteries.Itsapplicationinhybrid
vehiclesandhigh-powerstarterscanfulfillboththeenergyandpowerneedsofthedevices.
However,Li-ioncapacitorsneedtohavelongcyclestabilityduringoperationandbeable
toworkinawidetemperaturerange,whichputshighdemandsontheelectrolyte.Based
ontheaboveissues,thisthesisproposestwoelectrolytedesignguidelinesapplicableto
high-multiplicationgraphiteanodesfromtheperspectiveofimprovingmultiplication
performance.