金属锂电池中锂负极的研究及其保护

发布时间：2018-04-28 06:29

本文选题：金属锂 + 界面　；参考：《中国科学院大学(中国科学院物理研究所)》2017年博士论文

【摘要】：金属锂负极具有最负的电极电势(-3.045Vv.s.标准氢电极)、金属中的最轻的摩尔质量和理论密度(6.9g/mol,0.534g/cm3),是高能量密度电池的终极理想负极。在锂硫、锂空和固态电池大的发展背景下,科学家和企业开始重新审视金属锂负极。金属锂本身高的反应活性、不均匀沉积和无限体积膨胀三大缺点,是商业化应用面临的三座大山。许多科学家对此提出许多改性方法。在液态电池中主要可以从复合Li-C电极、包覆锂电极、开发溶剂-锂盐新配方、探索添加剂、涂覆隔膜、设计电极结构、开发合金电极和设计充放电模式八个方面进行。针对金属锂的以上问题,本论文开展了以下三方面研究:1)我们设计了一种嵌入不锈钢样品托的平整化的锂电极,并利用此锂电极研究了金属锂沉积-脱出顺序对金属锂负极表面形貌的影响。在锂先脱出后沉积时,苔藓状和枝晶状的锂主要出现在孔洞之中。其中有一些在第二周放电时仍未消失,表明了锂电极表面有"死锂"的形成。锂先在金属锂表面沉积的过程中,在首次充电之后,发现锂以粒状形式在表面沉积,在首周放电之后,相当一部分粒状的锂仍然在表面存在,并且在锂电极表面出现一些孔洞结构。我们认为,枝晶状、粒状和苔藓状的锂的不均匀沉积-脱出和孔结构的出现都与锂电极表面SEI的覆盖致密度和均匀程度以及其成分有关。因此,锂电极表面SEI的覆盖致密程度和均匀性是影响金属锂沉积和脱出以及金属锂循环性能的一个重要因素。2)我们利用SPM设备平台,开发了力曲线和PF-TUNA的方法,进行金属锂表面SEI在循环前后覆盖度和SEI结构的研究。利用力曲线方法,首次表征了锂薄膜表面杨氏模量的大小和分布。通过研究浸泡电解液之后锂薄膜表面SEI的杨氏模量大小、结构和分布,发现在浸泡之后金属锂表面形成了多层的SEI保护层。且高杨氏模量与低杨氏模量层交替分布。通过PF-TUNA的方法,首次分析了金属锂负极表面电流的大小和微观分布。并研究了不同充放电态和充放电制度下锂表面形貌和电流分布的变化。从微观的角度,提出了一种锂离子在锂表面沉积-脱出的机制。即在金属锂表面锂离子处于富集状态的时候,无论是锂的沉积还是脱出,对金属锂表面形貌的平整化和SEI的均匀生长都是有利的。为了达到锂表面锂离子浓度相对富集的状态,可以采用小电流充电,大电流放电。这为更好的保护锂负极提供了一种理论依据。3)我们从不同物相前驱体对金属锂处理的角度出发,提出了几种在金属锂表面包覆锂缓冲层的方法。气氛处理保护金属、Li2S-P2S5添加剂保护金属锂、LiPON包覆金属锂和Cu3N包覆金属锂。并通过进一步优化工艺,获得了保护较好的锂负极。并在锂对称电池、锂铜电池、锂硫电池体系获得了较好的效果。通过以上工作,我们初步弄清楚了液体电池中,锂的沉积-脱出顺序对金属锂负极的影响,锂表面SEI的结构、分布及其电化学过程中的演化,并通过一些手段改性了金属锂负极,获得了一定的效果。为金属锂在固态电池中的研究提供了一定的基础。
[Abstract]:In this paper , we have developed a method for improving the surface morphology of metal lithium by using the method of Li - sulfur , lithium - free and solid - state batteries . The effect of the deposition - release order of lithium on the negative electrode of lithium metal , the structure , distribution of the lithium surface SEI and the evolution of the electrochemical process of the lithium surface SEI , and the effect of some means on the negative electrode of the lithium metal are obtained . The research of the lithium metal lithium in the solid state battery provides a certain basis .

【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM912

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