新离子型添加剂对高镍锂离子电池性能的影响研究

许磊

摘 要：锂离子电池是一种二次电池，能够依靠锂离子的自由移动，实现充放电功能，是我国当前大力倡导的绿色能源材料，有着广泛的应用领域和巨大的生产价值。为此，文章将通过设计相关测试性能实验来全面分析新离子型添加剂对高镍锂离子电池性能产生的相关影响，从而优化高镍锂离子电池的研究与开发，使相关产业能够更好地应用新离子型添加剂，以望借鉴。

关键词：新离子型添加剂;高镍锂离子电池;电解液

中图分类号：TQ152文献标识码：A文章编号：1674-1064（2021）08-001-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.08.001

高镍锂离子电池本身具有极强的不稳定性，需要在电解液中使用添加剂使其负极表面形成钝化膜，以此提高离子的稳定性，确保电池不会受外部因素影响，产生有毒有害物质。为了进一步优化传统有机添加剂的溶解效果，提高锂离子电池的应用性能，文章将以2D添加剂投入到石墨电池中作为研究实验，通过分析高镍锂离子电池倍率、高温循环、高温存储的性能变化，判断新离子添加剂对高镍锂离子电池性能产生的具体影响。

1 实验过程

1.1 配置电解液、组装电池

首先要将C3H4O3和C4H8O3按照3：7比例进行混合，再加入1mol/L的LiPF6，之后分别将其倒入质量比为0.45%的新离子添加剂和0.45%的传统成膜添加剂中，得到基础电解液、0.5%新离子电解液、0.5%传统成膜电解液以及0.5%新离子电解液+0.5%传统成膜电解液。而电池的组装则由石墨和金属粒纽扣组成，通过测试新离子添加剂对电极阻抗的影响，选择传导能力较好的CELGAR2145作为电池隔膜，石墨为正极材料，金属锂片为负极材料。在进行软包电池组装时要注意脱去电芯的水分，并剪开内置电池气袋，将其进行真空烘干处理后，再进行注液工作。

1.2 添加剂的成膜特性

完成电解液的制作与电池组装后，需要对石墨负极成膜特性进行分析研究。将上述四种电解液依次注入到石墨软包电池中，利用电池测试系统，对四十五度下的电池性能进行检测，并采取的标准倍率电流进行恒向充电，确保电池表面能够形成稳定、紧致的SEI隔膜。之后记录第一次充电时产生的电压与容量变化，为后续研究、分析提供数据支持。最后，将组装好的锂离子电池进行放电循环处理，当电池电量处于半满状态时，利用相关测量仪器进行交流阻抗数值的检测。

1.3 测试电池性能

1.3.1 倍率性能

测试时，要确保锂离子电池的放置环境温度不超过30℃、空气湿度小于50%，以此避免空气与湿气对金属薄层产生氧化、腐蚀作用，之后对高镍锂离子电池进行1倍率的电量充能，并分别采取0.5、1、2、3倍率放电，保证每个倍率进行七圈的性能测试，确保实验数据完整、全面，降低误差产生的可能性。

1.3.2 存储性能

第一，实验人员要对高镍锂离子电池进行充电工作，确保其达到4.2V满电状态。第二，将其放置在60℃的高温烘箱内，利用测试系统对高镍锂离子电池进行1倍率的放电处理，在放电过程中要确保放电容量不能超过电池保存容量，以免造成电池损耗严重甚至损毁的情况产生。第三，以1倍率的充放电速度完成循环1周的处理，并保证放电容量与恢复容量相等，利用能量色散谱对高温存储后的石墨负极进行数据检测，判断电池性能产生的相关变化。

1.3.3 高温循环

在45℃的常温环境下，对高镍锂离子电池软包进行1倍率的充放电循环测试，确保测试时的充放电电压处在3V～4.2V之间，避免電压不符合电池的使用标准，产生鼓包、漏电等现象，影响其正常使用。在进行充放电循环后，记录电池此时的电容量数值，并将其与测试前的电容量进行比对，分析是否存在外部因素导致的测量误差，如果有，需采取温度调节、涂抹碳层等措施，降低其对实验数值产生的影响。最后，对循环后的电池进行体积测试，分析电池的产气情况[1]。

2 结果分析

2.1 研究成膜特性

高镍锂离子电池在电解液的一次充电时，会在石墨表面形成沉积物，其成分为相关固体电解质形成的SEI隔膜，能够阻止相关电解液的进一步分解，从而确保实验能够分次进行，避免电解液的重复制作。根据实验测量数据可知，基础电解液的反应峰值是电压处在2.8V左右时，而碳酸乙烯酯也正是在此时产生分解反应，并在石墨负极表面形成SEI隔膜。在添加0.45%传统添加剂后，基础溶解液的反应峰值出现在电压为2.7V时，此时碳酸乙烯酯的还原效果不明显，说明传统添加剂在电池负极形成具有高强阻抗性的钝化膜，抑制碳酸乙烯酯的分解。而当新离子型添加剂加入到溶解液中时，碳酸乙烯酯的成膜效果也不突出，则证明新离子型添加剂的成膜点位高于碳酸乙烯酯，石墨负极会优先选择相对钝化的碳酸乙烯酯形成SEI膜，以此达到抑制电解液进一步反应的目的。除此之外，在同时含有离子型添加剂和传统添加剂的高镍锂离子电池内，会在电压处在2.1V时出现成膜特性，并明显高于新离子型添加剂单独添加时产生的效果。当电压持续增加到2.7V时，传统添加剂成膜特性会大幅削减，则证明两种添加剂同时使用时，新离子添加剂会先于传统添加剂在石墨负极形成SEI隔膜[2]。

SEI隔膜阻抗是影响高镍锂离子电池内部阻抗和倍率性能的重要因素，由上述实验测量可知，当处在2V脱锂状态时，负极电池的电流几乎停止传递，证明不管是何种形式的添加剂都不会影响溶液电阻的变化。而在基础电解液中添加传统添加剂或新离子型添加剂，则能够降低SEI隔膜的阻抗能力，当二者同时存在时，会使SEI隔膜的阻抗数值有所上升，并且隔膜密度更紧致。由此可看出，将新型离子添加剂加入到1mol/L的六氟磷酸锂中，会使电解液的分解性能有效提高，从而提高镍锂离子电池的使用性能，加强其协同作用。

2.2 新型添加剂在高镍锂离子电池中的性能测试

2.2.1 倍率测试

电池容量的保持率与高镍锂离子电池的稳定性有直接关系，如果软包电池在恒定1倍率的速度下进行充电，则电池容量不会产生明显变化。当充电速度达到5倍率时，则电池容量会呈现大幅下滑趋势，造成电池性能衰减，影响后续的放电循环工作。此外，通过实验数据分析可知，虽然正极涂层材料会影响倍率性能，但对电池本身不会产生影响，因此可排除外界因素对数据造成的误差。

在对高镍锂离子电池进行3倍率的放电工作时，基础电解液电池和传统添加剂电池容量会降低衰减效率，只有新离子型添加剂电池的容量依然保持大范围的衰减趋势，使后续充电容量远远达不到供给需求。当进行5倍率放电时，电池石墨端的极化现象较为严重，容量变化超过实际标准范围，使电容量的区分更为明显。以1、2、3倍率进行循环时，传统添加剂的电池容量会高于新离子型电池容量，证明两者在进行复合添加时能够呈现良好的协同作用。为了进一步提高倍率性能变化的判断准确性，需要对常温下的锂离子电池进行放电循环处理，在循环120周后，可发现含有新离子型添加剂和传统添加剂的电池仍然保持超高的电量保持率。而对于仅含任意一种添加剂的电池容量来说，其电容量会衰减至原本的80%左右。由此可知，当两种添加剂进行负荷使用时，会有效抑制电池的电流流动，降低电池的内部阻抗，从而提高高镍锂离子电池的倍率性能[3]。

2.2.2 高温存储实验

该实验重在检验锂离子电池的稳定性，从而分析新离子型添加剂对电池高温存储性能的影响。首先要记录在上述实验过程中产生的电压与电阻数据，通过研究可知，当存储时长超过200小时后，含有0.5%的新离子添加剂电池电压和电阻变化远低于其他类型的锂离子电池，说明电池在高温环境下会被新离子添加剂抑制电池的放电工作，起到保护电池电容量的作用。在进行石墨负极表面检测时，能够发现相关材料包含大量的金属阳离子，证明电池的能量消耗并非由还原反应引起，而且大多金属阳离子的活跃性较强，导致电解液电压下降速度较快，使电池的能量损失进一步加重。由此可看出，电池之所以会出现功率的大幅度衰减是由于副边反应引起的。在添加过程中，电解液与相应试剂生成的副产物会聚集在电极表面，随着电池阻抗的增长，其产量也越来越多，进而使含有新离子型添加剂电池更加稳定。

2.2.3 循环测试

在高温循环测试中，高镍锂离子电池的电容量会随着电压的增加而提高，在45℃的环境中，电解液的衰减速率也会进一步加快，而且当进行200周以上的循环后，含有新离子添加剂的电池容量会保持在90%左右，含有传统添加剂的电池容量会维持在85%左右，而二者共存的電池容量则保持在87%。这说明虽然高镍锂离子电池受倍率的影响较低，也会随着电压的提升而扩大电容量，但如果缺少电解液的有效协调，仍然无法有效维持当前电池容量，如果缺少足够的电阻抑制能力，会使容量的衰减幅度更加明显。

收集高镍锂离子电池在循环后产生的气体可知，基础溶解液电池产生的气体量为0.08V/ml，0.5%传统添加剂电池产生的气体量为0.075V/ml，0.5%新离子型添加剂电池产生的气体量为0.06V/ml，而含有混合添加剂电池产生的气体量为0.065V/ml。由此可看出，含有新离子型添加剂产生的气体量最少，且电池内部更加稳定，不会因气体膨胀而影响电容量的大小，但在高温环境下，会使电池内部反应更加活跃。其石墨端的钝化膜不够稳定，极易受到破坏，如果电极受到影响，会直接造成电池容量损失。

3 结语

综上所述，通过配置电解液、组装电池、分析添加剂的成膜特性，并进行倍率性能、存储性能、高温循环等实验测试，可得出下列结论：新型添加剂能够明显降低高镍锂离子电池膜的阻抗能力，使电池内部锂离子活动更加稳定，降低其产气量，改善电池高温性能;高镍锂离子电池具有良好的还原电位功能，能够提高电池的倍率和高温循环性能，并有效减缓内部阻抗的增长，延长电池的使用寿命。

参考文献

[1] 范伟贞，曹哥尽.电解液添加剂PHS对LiNi_（0.8）Mn_（0.1）Co_（0.1）O_2锂离子电池性能的影响[J].电镀与涂饰，2021，40（9）：726-730.

[2] 高晓洁，朱鑫，白明学.以离子液体为流动相添加剂的HPLC法测定30批不同产地吴茱萸中8种生物碱的含量[J].沈阳药科大学学报，2021，38（4）：363-372.

[3] 田成光，张效胜，董晋湘.钠离子交换型层状磷酸锆作为钙基脂添加剂的摩擦学性能[J].润滑与密封，2021，46（4）：62-69.