锂离子电池电解液除酸除水添加剂的研究进展

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.210129

摘要/Abstract

摘要：

商用锂离子电池电解液在应用过程中存在电解质锂盐六氟磷酸锂（LiPF₆）易在痕量水环境中发生水解反应，进而导致锂离子电池体系的综合电化学性能受损。因此，亟需控制电解液本体中痕量水的引入以及减小锂盐与痕量水反应产物对电池体系影响的措施。本文主要综述了含有不同官能团的添加剂在除去电解液中痕量水和酸时所具有的特性，并重点分析介绍了其除酸除水的作用机理。最后，对除酸、除水型添加剂未来的研究方向和应用前景进行了展望。

关键词: 锂离子电池, 电解液, 除酸添加剂, 除水添加剂, 作用机理

Abstract:

In the application process of commercial lithium-ion battery electrolyte， the electrolyte， lithium salt lithium hexafluorophosphate （LiPF₆）， is prone to hydrolysis in presence of trace water， which can lead to the comprehensive electrochemical performance damage of the battery system. Therefore， it is urgent to control the introduction of trace water in the electrolyte body and measures to reduce the influence of lithium salt and trace water reaction products on the battery system. This article mainly summarizes the characteristics of additives containing different function groups in removing trace amounts of water and acid from electrolytes， and analyzes the function of acid-removing and water-removing. Finally， future research directions as well as application prospects of acid-removing and water-removing additives are prospected.

Key words: Lithium-ion battery, Electrolyte, Acid-removing additive, Water-removing additive, Mechanism of action

中图分类号:

O646.1

宋林虎, 李世友, 王洁, 张晶晶, 张宁霜, 赵冬妮, 徐菲. 锂离子电池电解液除酸除水添加剂的研究进展[J]. 应用化学, 2022, 39(5): 697-706.

Lin-Hu SONG, Shi-You LI, Jie WANG, Jing-Jing ZHANG, Ning-Shuang ZHANG, Dong-Ni ZHAO, Fei XU. Research Progress of Additives for Acid and Water Removal in Electrolyte of Lithium Ion Battery[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2022, 39(5): 697-706.

图/表 5

参考文献 34

1	AURBACH D， MARKOVSKY B， SALITRA G， et al. Review on electrode-electrolyte solution interactions， related to cathode materials for Li-ion batteries［J］. J Power Sources， 2007， 165（2）： 491-499.
2	BING J， HWANG， CHIEN Y， et al. Structure， morphology， and electrochemical investigation of LiMn₂O₄ thin film cathodes deposited by radio frequency sputtering for lithium microbatteries［J］. J Phys Chem C， 2009， 113（26）： 11373-11380.
3	LI W T， CAMPION C， LUCHT B L， et al. Additives for stabilizing LiPF₆-based electrolytes against thermal decomposition［J］. J Electrochem Soc， 2005， 152（7）： A1361-A1365.
4	XU G J， LIU Z H， ZHANG C J， et al. Strategies for improving the cyclability and thermo-stability of LiMn₂O₄-based batteries at elevated temperatures［J］. J Mater Chem A， 2015， 3（8）： 4092-4123.
5	王洁，崔孝玲，赵冬妮，等. 适配于富锂锰基正极材料电解液体系的研究［J］. 现代化工， 2020， 40（1）： 19-24.
	WANG J， CUI X L， ZHAO D N， et al. Study on electrolyte adapted to lithium-rich layered oxide cathode materials［J］. Mod Chem Ind， 2020， 40（1）： 19-24.
6	徐菲，李世友，赵冬妮，等. 硅烷添加剂在锂离子电池电解液中的应用［J］. 硅酸盐学报， 2021， 49（1）： 161-166.
	XU F， LI S Y， ZHAO D N， et al. Application of silane additive in electrolyte of lithium ion battery［J］. J Chinese Ceram Soc， 2021， 49（1）： 161-166.
7	ZHANG S S. Aromatic isocyanate as a new type of electrolyte additive for the improved performance of Li-ion batteries［J］. J Power Sources， 2006， 163（1）： 567-572.
8	DONG P， WANG D， YAO Y， et al. Stabilizing interface layer of LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂ cathode materials under high voltage using p-toluenesulfonyl isocyanate as film forming additive［J］. J Power Sources， 2017， 344： 111-118.
9	DENG B W， WANG H， GE W J， et al. Investigating the influence of high temperatures on the cycling stability of a LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂ cathode using an innovative electrolyte additive［J］. Electrochim Acta， 2017， 236： 61-71.
10	WANG S L， CHEN S M， GAO W Q， et al. A new additive 3-isocyanatopropyltriethoxysilane to improve electrochemical performance of Li/NCM622 half-cell at high voltage［J］. J Power Sources， 2019， 423： 90-97.
11	JANG S H， YIM T. Effect of silyl ether-functinoalized dimethoxydimethylsilane on electrochemical performance of a Ni-rich NCM cathode［J］. ChemPhysChem， 2017， 18（23）： 3402-3406.
12	YE C C， TU W Q， YIN L M， et al. Converting detrimental HF in electrolyte into a highly-fluorinated interphase on cathode［J］. J Mater Chem A， 2018， 6（36）： 17642-17652.
13	YOU L， DUAN K， ZHANG G， et al. N，N-Dimethylformamide electrolyte additive via a blocking strategy enables high performance lithium ion battery under high temperature［J］. J Phys Chem C， 2019， 123： 5942-5950.
14	陈家辉. 锂离子电池高电压电解液制备及其作用机理研究［D］. 深圳：深圳大学， 2016.
	CHEN J H. Preparation and investigation of high voltage electrolyte for lithium-ion battery［D］. Shenzhen： Shenzhen University， 2016.
15	KIM K， HWANG D， KIM S， et al. Cyclic aminosilane-based additive ensuring stable electrode-electrolyte interfaces in Li-ion batteries［J］. Adv Energy Mater， 2020， 10（15）： 2000012.
16	ZHAO W M， ZHENG B Z， LI H D， et al. Toward a durable solid electrolyte film on the electrodes for Li-ion batteries with high performance［J］. Nano Energy， 2019， 63： 103815.
17	JOW R T， ZHANG S， XU K， et al. Non-aqueous electrolyte solutions comprising additives and non-aqueous electrolyte cells comprising the same： US， US6905762 B1［P］. 2005.
18	HAN J G， JEONG M Y， KIM K， et al. An electrolyte additive capable of scavenging HF and PF₅ enables fast charging of lithium-ion batteries in LiPF₆-based electrolytes［J］. J Power Sources， 2020， 446： 227366.
19	AMINE K， WANG Q， VISSERS， et al. Novel silane compounds as electrolyte solvents for Li-ion batteries［J］. Electrochem Commun， 2006， 8（3）： 429-433.
20	WANG J， ZHAO X， LUO H， et al. A novel aminoalkyldisiloxane compound as a film-forming electrolyte additive for graphite anode［J］. Electrochemistry， 2015， 83（7）： 537-540.
21	WANG J L， HAO L， MAI Y J， et al. Synthesis of aminoalkylsilanes with oligo（ethylene oxide） unit as multifunctional electrolyte additives for lithium-ion batteries［J］. Sci China Chem， 2013， 56： 739-745.
22	WANG S Q， WANG J L， HAO L， et al. A novel aminoalkylsilane compound with oligo（ethylene oxide） units as effective additive for improving cyclability of lithium-ion batteries［J］. J Mater Sci Technol， 2013， 29： 53-57.
23	ZHANG L， LYONS L， NEWHOUSE J， et al. Synthesis and characterization of alkylsilane ethers with oligo（ethylene oxide） substituents for safe electrolytes in lithium-ion batteries［J］. J Mater Chem， 2010， 20（38）： 8224-8226.
24	YAN X D， CHEN C， ZHU X Q， et al. Aminoalkyldisiloxane as effective electrolyte additive for improving high temperature cycle life of nickel-rich LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂/graphite batteries［J］. J Power Sources， 2020， 461： 228099.
25	YAMANE H， INOUE T， FUJITA M， et al. A causal study of the capacity fading of Li_1.01Mn_1.99O₄ cathode at 80 ℃， and the suppressing substances of its fading［J］. J Power Sources， 2001， 99（1）： 60-65.
26	LI Y K， ZHANG R X， LIU J S， et al. Effect of heptamethyldisilazane as an additive on the stability performance of LiMn₂O₄ cathode for lithium-ion battery［J］. J Power Sources， 2009， 189（1）： 685-688.
27	WU X W， GUO H J， LI X H， et al. Effect of heptamethyldisilazane on the electrochemical performance of LiMn₂O₄/Li［J］. Ionics， 2013， 19（3）： 429-435.
28	WU X W， LI X H， WANG Z X， et al. Improvement on the storage performance of LiMn₂O₄ with the mixed additives of ethanolamine and heptamethyldisilazane［J］. Appl Surf Sci， 2013， 268： 349-354.
29	LI Y K， ZHANG R X， LIU J S， et al. Effect of heptamethyldisilazane as an additive on the stability performance of LiMn₂O₄ cathode for lithium-ion battery［J］. J Power Sources， 2009， 189（1）： 685-688.
30	SAIDI Y M， GAO F， BARKER J， et al. Additive to stabilize electrochemical cell： US， US5846673 A［P］. 1998.
31	TAKECHI K， KOIWAI A， SHIGA T. Nonaqueous electrolytic solution for battery and nonaqueous electrolytic solution battery： US， US6077628 A［P］. 2000.
32	ZHANG S S. A review on electrolyte additives for lithium-ion batteries［J］. J Power Sources， 2006， 162（2）： 1379-1394.
33	JUNG G H， SUNG J L， JAEGI L， et al. Tunable and robust phosphite-derived surface film to protect lithium-rich cathodes in lithium-ion batteries［J］. ACS Appl Mater Interfaces， 2015， 7（15）： 8319-8329.
34	WOTANGO A S， SU W N， LEGGESSE E G， et al. Improved interfacial properties of MCMB electrode by 1-（trimethylsilyl）imidazole as new electrolyte additive to suppress LiPF₆ decomposition［J］. ACS Appl Mater Interfaces， 2017， 9（3）： 2410-2420.

[1]	陈兵帅, 卓海涛, 黄书, 陈少军. 高性能硅基负极聚合物粘结剂的研究进展[J]. 应用化学, 2023, 40(5): 625-639.
[2]	胡方正, 高兴, 刘雷, 袁天恒, 曹宁, 李凯, 王亚涛, 李建华, 连慧琴, 汪晓东, 崔秀国. 锂离子电池黑磷负极的储能优势及其优化的研究进展[J]. 应用化学, 2023, 40(4): 571-582.
[3]	王路飞, 甄蒙蒙, 沈伯雄. 贫电解液下电催化剂对调控锂硫电池性能的研究进展[J]. 应用化学, 2023, 40(2): 188-209.
[4]	石雪建, 刘万强, 王春丽, 程勇, 王立民. 钾离子电池用Sb基负极材料研究进展[J]. 应用化学, 2023, 40(2): 210-228.
[5]	王恩通, 杨林芳. 高比容量锂离子电池正极材料LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂的制备及性能[J]. 应用化学, 2022, 39(8): 1209-1215.
[6]	张琦, 张乾, 师晓梦, 孔娅淇, 高可心, 杜亚平. 稀土溴化物固态电解质材料在全固态电池中的应用研究进展[J]. 应用化学, 2022, 39(4): 585-598.
[7]	王玉乐, 杨柯利, 高艳芳. 碳化钼改性二氧化硅的制备及其电化学性能[J]. 应用化学, 2022, 39(11): 1716-1725.
[8]	赵莹, 邵奕嘉, 李罗钱, 任建伟, 廖世军. 富锂正极材料的衰减机理及循环稳定性提升的研究进展[J]. 应用化学, 2022, 39(02): 205-222.
[9]	王旭尧, 方应军, 张灵志. 氰基功能化聚乙烯亚胺交联固态聚合物电解质的制备及理化性能[J]. 应用化学, 2021, 38(8): 946-953.
[10]	陶承业, 杨占旭, 李玥. 红磷/石墨复合材料的制备及电化学性能[J]. 应用化学, 2020, 37(9): 1056-1061.
[11]	刘学, 马华, 徐恒, 计海聪, 王栋. 无纺布基聚吡咯柔性电极的储锂性能[J]. 应用化学, 2020, 37(5): 555-561.
[12]	王金莹, 曲江英, 李杰兰, 汤占磊, 臧云浩, 王涛, 顾建峰, 周钢, 高峰. 二次包覆法制备煤沥青基硅/碳复合物及其锂离子电池性能[J]. 应用化学, 2020, 37(5): 562-569.
[13]	胡晨,金翼,朱少青,徐晔,水江澜. 磷酸铁锂电池低温性能的改性方法简述[J]. 应用化学, 2020, 37(4): 380-386.
[14]	崔华敏, 掌学谦, 胡攀登, 闫冰, 黄苇苇, 郭文锋. 杯[4]醌/N掺杂的无定形碳纳米纤维复合材料储锂性能[J]. 应用化学, 2020, 37(2): 198-204.
[15]	惠康龙, 傅继澎, 高湉, 唐明学. 金属硫化物在可充电电池中的研究进展[J]. 应用化学, 2020, 37(12): 1384-1402.