复合型人造固态电解质膜的制备及对金属锂负极保护的研究
发布时间：2021-01-02 07:09
金属锂拥有极高的理论比容量3860 mAh/g、最低的电势电位-3.04 V（相对标准氢电极）以及较低的密度0.534 g/cm3,同时拥有良好的导电性,是下一代高能量密度电池负极材料有力的“候选者”。然而,金属锂在电化学反应过程中存在较高的反应活性、不均匀的锂沉积、巨大的体积膨胀、不规则的锂枝晶生长等问题,使得锂金属的商业化举步维艰。目前,为了解决锂金属面临的这些问题,主要方法有:锂金属的结构设计、电解液改性、人工固体电解质界面膜（SEI）、隔膜改性等。本论文主要从构造人工SEI膜入手,通过在金属锂表面修饰功能性的聚氨酯基人工固体电解质膜,提升锂离子在锂金属表面均匀沉积,避免锂枝晶的生成,从而达到提高锂负极稳定性的目的。主要研究内容如下:（1）通过均匀涂覆的方式,在锂金属表面构筑一层人造SEI膜。本章主要通过将PEG500和二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）反应形成线性聚氨酯,再与锂盐氟化锂（LiF）结合形成锂盐复合型人造SEI膜（AMF）。AMF膜拥有良好热稳定性和力学性能,能够起到物理隔离作用,避免了电解液和锂金属接触造成的电解液持续分解问...
【文章来源】：江汉大学湖北省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池结构示意图
总反应方程式:LiFePO4+6xC→Li1-xFePO4+LixC6。锂离子电池作为锂二次电池的一种典型代表,但锂二次电池还包括以锂金属作为负极材料,正极采用具有嵌入型结构的钴酸锂(LiCoO2)、磷酸铁锂(LiFePO4)等材料,也有的是O2、S等基于转换反应的材料的一类电池[15]。以LiFePO4-Li为例的工作原理如下所示:
锂金属作为锂电池的负极材料拥有极高的理论比容量3860 mAh/g和最低的电势电位-3.04 V(相对标准氢)以及较低的重量密度0.534 g/cm3,同时拥有良好的导电性,由于交换电流密度大,因此锂电极在反应中产生的极化非常小,这些都是锂金属作为负极不可忽略的优势[16]。然而锂金属作为负极也面临着重重的困难(图1-3),其中最大的问题就是循环性能和安全问题,而引起这些问题的根本原因就是锂金属的高反应活性和锂枝晶的形成。由于锂金属的活性很高,在传统的液态电解液体系中,会立即形成固态电解质膜(SEI)。理想的SEI可以有效的抑制锂金属与电解质的进一步反应,抑制锂枝晶的形成。但锂金属表面的SEI往往不是很理想无法保护锂金属不与电解液进一步反应,使得SEI和电解液不断干化,最终导致电解液大量消耗、活性锂离子大量损失[17]。同时,锂离子在循环过程中的沉积更偏向树枝状或者三维状或苔藓状的沉积形式,这样的沉积形式就会造成锂枝晶的不规则生长,锂枝晶在生长过程中断裂堆积则成为不会贡献容量的“死锂”导致低的库伦效率;持续生长的锂枝晶则有可能穿破隔膜,使正负极短接,造成热失控,进而引发火灾。更为严重的是,锂金属阳极由于死锂的大量堆积引起体积的无限变化会使其孔隙率增大,由致密结构转变为多孔形态,造成结构疏松,最终导致容量的衰减[18]。因此,要实现锂金属的大规模应用,必须要改进锂金属的沉积形式,即在安全性能得到保障的情况下,进一步解决电池在循环过程中的低库伦效率以及锂金属体积膨胀造成的负极活性物质的损失即容量迅速衰减的问题。1.3.1 锂负极存在的问题
【参考文献】：
硕士论文
[1]锂金属电极/电解质界面的第一性原理研究[D]. 吴小红.中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所) 2019
[2]锂金属电池固态电解质构筑及表界面微观机制研究[D]. 汶凯华.中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所) 2018
[3]金属锂负极的稳定化设计及在高比能电池中的应用研究[D]. 刘崇武.中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所) 2018
本文编号：2952898
【文章来源】：江汉大学湖北省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池结构示意图
总反应方程式:LiFePO4+6xC→Li1-xFePO4+LixC6。锂离子电池作为锂二次电池的一种典型代表,但锂二次电池还包括以锂金属作为负极材料,正极采用具有嵌入型结构的钴酸锂(LiCoO2)、磷酸铁锂(LiFePO4)等材料,也有的是O2、S等基于转换反应的材料的一类电池[15]。以LiFePO4-Li为例的工作原理如下所示:
锂金属作为锂电池的负极材料拥有极高的理论比容量3860 mAh/g和最低的电势电位-3.04 V(相对标准氢)以及较低的重量密度0.534 g/cm3,同时拥有良好的导电性,由于交换电流密度大,因此锂电极在反应中产生的极化非常小,这些都是锂金属作为负极不可忽略的优势[16]。然而锂金属作为负极也面临着重重的困难(图1-3),其中最大的问题就是循环性能和安全问题,而引起这些问题的根本原因就是锂金属的高反应活性和锂枝晶的形成。由于锂金属的活性很高,在传统的液态电解液体系中,会立即形成固态电解质膜(SEI)。理想的SEI可以有效的抑制锂金属与电解质的进一步反应,抑制锂枝晶的形成。但锂金属表面的SEI往往不是很理想无法保护锂金属不与电解液进一步反应,使得SEI和电解液不断干化,最终导致电解液大量消耗、活性锂离子大量损失[17]。同时,锂离子在循环过程中的沉积更偏向树枝状或者三维状或苔藓状的沉积形式,这样的沉积形式就会造成锂枝晶的不规则生长,锂枝晶在生长过程中断裂堆积则成为不会贡献容量的“死锂”导致低的库伦效率;持续生长的锂枝晶则有可能穿破隔膜,使正负极短接,造成热失控,进而引发火灾。更为严重的是,锂金属阳极由于死锂的大量堆积引起体积的无限变化会使其孔隙率增大,由致密结构转变为多孔形态,造成结构疏松,最终导致容量的衰减[18]。因此,要实现锂金属的大规模应用,必须要改进锂金属的沉积形式,即在安全性能得到保障的情况下,进一步解决电池在循环过程中的低库伦效率以及锂金属体积膨胀造成的负极活性物质的损失即容量迅速衰减的问题。1.3.1 锂负极存在的问题
【参考文献】：
硕士论文
[1]锂金属电极/电解质界面的第一性原理研究[D]. 吴小红.中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所) 2019
[2]锂金属电池固态电解质构筑及表界面微观机制研究[D]. 汶凯华.中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所) 2018
[3]金属锂负极的稳定化设计及在高比能电池中的应用研究[D]. 刘崇武.中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所) 2018
本文编号：2952898
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