磁场抑制锂金属负极枝晶生长的初步研究

发布时间：2024-02-28 06:34

　　目前商用锂离子电池的实际能量密度已经接近其理论值,但是依然难以满足社会发展对高性能电池的需求。锂(Li)金属由于其极高的理论比容量(3860mAh/g)、较低的密度(0.59 g/cm³)以及最低的还原电势(相对于标准氢电极为-3.040 V)被认为是下一代理想的负极材料。然而由于充放电时锂离子不均匀的沉积造成的锂枝晶导致锂金属电池库伦效率低和循环寿命短,并带来严重的安全问题,限制了锂金属负极的发展。本文从磁电化学沉积角度出发,探索磁流体动力学效应(MHD)抑制锂枝晶生长,即通过磁场对运动锂离子的洛伦兹力作用而改变其运动轨迹,改善锂离子的不均匀沉积,从而提高锂金属电池的循环寿命。第三章中,利用Comsol Multiphysics软件仿真模拟研究锂金属负极电沉积过程中锂离子运动轨迹及枝晶生长机理。数值表征结果显示施加磁场下,锂离子在接近凸起处时受到高电场强度驱动切割磁感线,同时受到洛伦兹力作用,导致其原有运动轨迹反生变化,绕着凸起处呈螺旋状运动,均匀分散在凸起周围。由此可知,在MHD效应下,该物理场显著降低浓差极化,促进了液相传质过程,有效抑制了枝晶的生长并得到致...

【文章页数】：70 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图1-1汽油与各类型电池能量密度对比[1]

磁场抑制锂金属负极枝晶生长的初步研究1第一章绪论1.1引言随着能源需求持续增长，传统化石能源日趋枯竭，并且带来严重的环境问题。太阳能、风能、潮汐能等新能源日益受到重视，但此类能源受到时间、空间条件的限制，存在间歇性、不稳定性的特点，因此迫切需要先进的储能设备。自1991年起，锂离....

图1-2SEI膜的组成与结构[11]

磁场抑制锂金属负极枝晶生长的初步研究3有较低的离子传输能垒。锂离子在裂缝处大量聚集，最终引发枝晶生长[9,10]。锂沉积与工业上电镀镍、铜等金属最明显的区别在表面的SEI膜，这层界面膜对锂离子沉积具有重要影响。目前研究人员对SEI膜的认识和了解还不够完善，近年来研究人员已经加大对....

图1-3FEC添加剂对Li金属阳极影响的示意图[14]

来解释。关于枝晶生长的理论研究和探索还在继续。1.3抑制锂枝晶的策略1.3.1电解质体系的改良目前最常见的电解质主要为液态电解质和固态电解质。液态电解质具有良好的离子导率，且广泛应用于目前商业化电池体系中。固态电解质具有较高的机械模量和良好的稳定性，可以有效抑制枝晶生长，大幅提高....

图1-4锂与两种电解液形成SEI膜的示意图(a)含有硝酸锂添加剂的醚类电解液(b)含有硝酸锂和多硫化锂添加剂的醚类电解液[20]

磁场抑制锂金属负极枝晶生长的初步研究5进行了系统研究，结果表明Li-S电池添加KNO3在100个循环内放电容量增加到687mAh/g（无KNO3放电容量为528mAh/g）。多硫化物和硝酸锂等添加剂也尝试应用于锂金属电池。Cui等[20]利用多硫化锂（Li2S8）和硝酸锂（LiN....

本文编号：3913616