Transcript 答辩PPT - 华中科技大学

汇报人：08级特优生郭俊
导
师：化学与化工学院
周志彬教授
目
01
02
03
录
研究背景
研究内容
研究成果
04
致
谢
研 究 背 景
 根据世界已探明的化石能源储量和全球
开采使用速度预算，石油使用不到40年，
天然气使用约60年，煤炭使用在200年
左右。
 传统的化石燃料使用基本上是通过燃烧，
燃烧会释放SO2、氮氧化物NOx及CO2等大
气污染物，造成酸雨和温室效应。
 汽车尾气排放的主要污染物为一氧化碳
（CO）、碳氢化合物（CH）、氮氧化物
（NOx）、铅（Pb）等，汽车废气占城市
污染源65% 。
解
决
方
案
开发新型的绿色能源
(核能 风能 太阳能)
能源危机
环境污染
研制新型的大功率、高密度的储能器件
（锂离子电池 超级电容器）
锂离子电池的原理
 放电时，Li+从负极脱出经过电解质溶液进入正极，同时电子从负极经外
电路流出输出电流使外联设备工作；
 充电时，Li+则从正极脱出，经过电解质溶液再返嵌回负极，电子则在外
加电源的驱动下由正极流入负极，完成充电
锂离子电池的应用
LOGO
锂离子电池的应用
“十二五”中国新能源汽车发展规划
2012年中国混合动力汽车将达到50万辆，中国纯
电动汽车达到10万辆
日本三菱iMiEV 电动汽车
的锂电池组 330V 16KWh
动力电池组由几百到
几千个单体电池通过串并
联组合而成，工作过程中
产生大量热量使得电池工
作环境温度升高
2020年中国混合动力汽车达到1800万辆，中国纯
电动汽车达到400万辆
高温循环是动力电池
必须解决的问题
传统电解液无法满足
传统锂离子电池电解液
锂离子电池电解液中，导电锂盐是电解液的核心技术，也是制约中国乃
至全球锂电产业发展的关键技术瓶颈。目前使用最为广泛和普遍的导电锂盐
是LiPF6。
 LiPF6分解产生PF5，室温下是个动态平衡
 LiPF6和电解液中的水分反应产生POF3和HF
 上述两个反应产生的PF5破坏电解液以及电极
表面结构
 上述两个反应产生的HF破坏电极材料表面形
成的保护膜 (SEI膜)，并产生热量，导致燃烧
和爆炸
 上述反应在高温下急剧变化
新型锂盐的发展
为了解决传统锂离子电池的高温技术瓶颈，学界和产业界都在寻找合适的新型锂盐
LiBOB及相关衍生物在现有电解液用
碳酸酯溶剂中溶解性差、对水不是很
稳定、很难合成高纯度的盐
LiPF6的改性产物Li[(C2F5)3PF3] (LiFAP)
和 LiPF4(C2O4) (LiF4OP)合成与纯化困难
造价昂贵，难以实现产业化
全氟烷基磺酰亚胺型的LiTFSI和LiBETI在
高电位下对Al集流体有严重的腐蚀性
新型锂盐的发展
1995年，LiFSI由法国著名锂电专家Armand教授提出
并应用于锂离子电池，是下一代动力电池最有潜力的
锂盐，现有日本和国内苏州氟特 (华中科技大学专利)
两个公司进行中试生产。
Salts
热分解
Td (oC)
电导率σa
(ms/cm)
粘度ηa
(cP)
锂离子迁
移数 (tLi+)
水解性
Al箔腐蚀性
LiFSI
380
9.73
2.96
0.52
不水解
不腐蚀
LiPF6
108
9.33
3.00
0.42
易水解
不腐蚀
a 电导率、粘度、锂离子迁移数均以1.0 M LiFNFSI-EC/EMC (3:7 V/V) 和1.0 M LiPF6-EC/EMC
(3:7 V/V) 在25 oC时测定
研 究 内 容
(氟磺酰)(全氟丁基磺酰)亚胺锂 (LiFNFSI) 的合成及性能表征
合成路线
结构表征
19F
NMR (376.05 MHz; Acetone-d6; CCl3F):
56.5 (s, 1F), −81.7 (s, 3F), −113.5 (s, 2F), −121.8 (s, 2F), −126.7 (s, 2F).
ESI-MS: m/z (%): 380 (100).
Anal Cal: C, 12.41; N, 3.62; S, 16.57. Found: C, 12.38; N, 3.54; S, 16.48.
杂质分析
HF：0.1 ppm；H2O：80 ppm；Cl-：2.0 ppm；F-：0.3 ppm
19F
NMR 表征
研究成品
高纯度的LiFNFSI白色固体及
使用该锂盐的电解液
使用LiFNFSI新型电解液的锂离子电池
Graphite//LiFNFSI-EC/EMC (3:7 V/V) //LiCoO2
热稳定性与水解性能
LiFNFSI的DSC-TG图
LiFNFSI和LiPF6电解液中H2O含
量和HF含量随时间的变化图
测试表明：
1） LiFNFSI的熔点 (Tm=179 oC)，分解温度 (Td=220 oC) 远高于LiPF6
(Td=108 oC)，完全可以符合锂离子电池的需求！！
2） LiFNFSI 电解液表现出较好的耐水解性，基本上没有产生 HF，这一
性质有望克服传统导电盐LiPF6的致命弊端！！
电化学性能
电导率及电化学窗口
LiFNFSI电解液体系的循环伏安测试图
LiFNFSI电解液的氧化电位
1) LiFNFSI具有和LiClO4相当的电导率，保证了锂离子电池的倍率性能；
2) 氧化电位高达5.6V ，且在阴极表面有优越的沉积/溶出过程，满足4V
级锂 (离子) 电池的应用条件
电化学性能
铝箔腐蚀研究
铝箔集流体的腐蚀研究
LiPF6 、 LiFNFSI电解液体系的循
环伏安测试图
LiPF6 、 LiFNFSI电解液体系循环伏
安测试后Al工作电极的SEM测试图
LiFNFSI电解液在正极集流体表面有良好的
钝化作用，这为LiFNFSI的能够产业化提供了重要基础！
室温循环测试
室温下，含LiFNFSI电解液的锂离子电池
具有更好的循环性能！！
LiFNFSI和LiPF6电解液在25 oC下循环
的比容量和库仑效率随循环序数的变化图
首周效率
(%)
首周比容量
(mAh/g)
100 周后容量损失
(mAh/g)
100 周后容量损失
(%)
LiPF6
92
125
97
23
LiFNFSI
92
122
108
11
高温循环测试
LiFNFSI的高温循环性能明显优于传导
导电锂盐，有望克服传统电解液的高温
技术瓶颈，应用于电动汽车！
LiFNFSI和LiPF6电解液在60 oC下循环
的比容量和库仑效率随循环序数的变化图
首周效率
(%)
首周比容量
(mAh/g)
100 周后比容量
(mAh/g)
100 周后容量损失
(%)
LiPF6
92
125
32
74
LiFNFSI
92
123
76
37
总
结
1) LiFNFSI具备较高的热稳定性 (220 oC) 、不容易水解、化学性质稳定
2) 较高的氧化电位 (Eox>5.5V)， 对Al集流体有良好的钝化作用
4) 较高的电导率和迁移数 对常见正极材料和负极材料具有很好的兼容性
6) 使用LiFNFSI电解液的锂离子电池无论在室温下还是在60 oC下，其循
环性能均远优于使用LiPF6的传统电解液 ，尤其是在60 oC高温下的表
现出明显的优越性能
因此，LiFNFSI有望取代传统LiPF6成为锂离子电池电解液
的新一代导电盐！！
取得成果
致 谢