摘 要

能源种类繁多,而且为满足人类日益增长的需要，经过人类不断的开发与研究,更多新型能源已经开始出现。锂离子电池就在这个过程中应运而生。

锂离子电池在电子设备，工具和车辆等各个领域得到了越来越多的重视，因为它提供了比传统铅酸电池或镍氢电池高三倍的高能量密度。但是，其安全性有待提高，特别是作为电动汽车的动力源。锂离子电池的安全性事故有很多，但关键在于以有机分子为溶剂的电解液，在任何滥用电池的条件下都可能分解。

量子化学是分析化学理论的有力工具，隶属于理论化学，采用的研究方法为量子力学原理。研究涉猎的内容很广泛。本文使用Gaussian软件，在量子化学的基础上对锂离子电池电解液中部分物质进行优化，并通过对有毒物质的分析，阐述了EC的较详细氧化分解机理。

关键字：锂离子电池 量子化学 有毒物质 氧化机理

Quantum chemistry based formation mechanism of toxic substances in lithium ion batteries under thermal runaway

Abstract

There are many kinds of energy sources, and in order to meet the growing needs of mankind, through continuous human development and research, more new types of energy have begun to emerge. Lithium-ion batteries came into being in this process.

Lithium ion batteries are gaining more and more attention in various fields such as electronic equipment, tools and vehicles, because they provide three times higher energy density than conventional lead-acid or nickel-metal hydride batteries. However, its safety needs to be improved, especially as a power source for electric vehicles. There are many safety accidents of lithium-ion batteries, but the key lies in the electrolyte with organic molecules as the solvent, which may be decomposed under any abuse of the battery.

Quantum chemistry is a powerful tool for analytical chemistry theory. It belongs to theoretical chemistry and the research method used is quantum mechanics. The content of the research is very extensive. In this paper, Gaussian software is used to optimize some of the lithium-ion battery electrolytes on the basis of quantum chemistry. Through the analysis of toxic substances, the detailed oxidation and decomposition mechanism of EC is described.

Key words: lithium ion batteries; quantum chemistry; toxic substances; oxidation mechanism

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 概述 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外锂离子电池热失控案例 1

1.3 锂离子电池国内外研究现状 2

1.4 研究的主要内容及方法 3

第二章 锂离子电池简介 5

2.1 锂离子电池概述 5

2.1.1 锂离子电池简介 6

2.1.2 锂离子电池特性 7

2.2 锂离子电池的使用和维护 9

2.3 电解液 13

第三章 量子化学简述 16

3.1 量子化学简介 16

3.2 量子化学计算方法 17

3.3 密度泛函理论 18

3.4 量子化学的应用范围 18

第四章 电解液基于量子化学的计算 20

4.1 电解液简介 20

4.2 电解液的优化 21

4.3 电解液中有机溶剂稳定性 24

4.4 EC的氧化机理 26

4.4.1 EC的初始氧化 28

4.4.2 EC 的分解路径 30

4.4.3 M3和M4的终止反应 34

4.4.4 M2的终止反应 35

第五章 研究结果与展望 38

5.1 研究结果 38

5.2 下一步计划 38

参考文献 40

第一章 概述

1.1 研究背景

在如今科学技术水平日新月异的环境下，锂离子电池以及其衍生物已经一点一滴的渗透到我们的生活中，它在各个领域都担当着极为重要的角色，比如购买使用类电子产品（手机、充电宝、电脑等）领域、充电型交通工具领域、储存能源（移动通信基站电源、家庭储存能源、国企储存能源等）领域等，有着前所未有的应用前景。锂离子电池是针对现如今十分紧张的防污染、可持续发展问题，且比容量高、寿命长、零排放，越来越受到世界各研究人员的关注，但是，在我们的日常生活中锂离子电池事故问题总是层出不穷且频频作为大众关注的焦点，比如最常见的因锂离子电池热失控而产生的事故，而这也限制了它向更广阔领域的推广与使用。

因此,对于锂离子电池的热失控过程，以及在整个热失控过程中有毒物质的生成机制的研究变得十分重要，这可以使我们对发生事故的根本原因进行更加科学性及整体性的了解，还有利于对其火灾事故发生原因制定针对性的措施，在此基础上研制安全性更高的锂离子电池，保护人身及物体的安全，使锂离子电池可以应用到更多更广泛的领域中去，更大程度上缓解日益突出的环保、能源问题。

1.2 国内外锂离子电池热失控案例

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