碳氮复合物用于金属锂负极的改性研究
发布时间：2021-04-05 22:06
当前社会正面临着严重的能源危机,传统的化石能源一方面对环境造成了极大的污染,一方面由于其不可再生的特性使人类面临资源匮乏的窘境。因此,使用更清洁、可再生的能源是最有效的一种解决方法。然而,很多新能源技术比如太阳能、风能等具有明显的波动性和间歇性,需要配合储能设备使用。在诸多储能电池体系中,锂离子电池由于具有安全性好、重量低、比能量密度高、没有记忆效应等优势,成为应用最为广泛的二次电池体系。然而,目前由于正负极材料的限制,锂离子电池容量已经达到极限。想要进一步提升能量密度和功率密度,需要对电极材料进行革新。在众多锂离子电池负极材料中,锂金属负极由于其理论比容量高、电极电势低而脱颖而出,此外,锂金属还可以与多种不含锂的正极材料匹配,实现高能量密度全电池。然而,锂枝晶的生长和较低的库伦效率限制了锂金属负极的应用。本论文主要研究了氧掺杂g-C3N4（A-G）作为界面层和氮钴共掺杂的三维中空碳材料与泡沫镍组成的复合电极（CNC@Ni）对上述困境的缓解,主要内容如下:（1）通过在锂箔上涂覆A-G人工界面层,利用其中的含N、O的官能团促进锂离子转移和均匀化锂沉积。因此,修饰后锂电极的电化学性能得到了...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２：金属单质的比能量密度［１（）］??而金属锂由于其小的原子质量、极低的还原电势（－３．０４?Ｖｗ．标准氢电极）??和单一价态等优势在众多单质或化合物中脱颖而出（图１－２）
反应的产生。因此，理想的稳定ＳＥＩ膜应该具有以下几点特征：（１）具有??高的离子导电率，极低的电子导电率；（２）厚度合适可控，结构紧密可控，形??貌均一；（３）具有较高的弹性强度抑制ＳＥＩ膜的破损和并抑制枝晶的生长；（４）??具有极高的化学稳定性、热稳定性，不与其他物质发生反应。调控ＳＥＩ膜生长的??常用的手段有改变电解液添加剂、溶剂和电解质，设计电极成分以及改变充电模??夕?Ａ－Ｕ２〇??Ｂ?＊?ＵＦ??ｃ＊?ｙ２ｃ〇ｓ??０＊??￡＊?Ｓ＃ｍｉｃ〇ｒＢ〇ｐ．〇ｔｅｓ??图１－６：?ＳＥＩ的结构和间??除了?ＳＥＩ膜对锂金属的影响，充放电过程中枝晶和“死锂”的产生也是制约??锂金属负极发展的重要因素。枝晶和“死锂”的产生，是由于锂在基体上的不均匀??沉积导致的，锂离子在基体上的偏向生长（例如基体的凸起处）使得枝晶生长进??一步增强，而枝晶的继续生长会刺穿隔膜导致正负极短路，引发安全问题，枝晶??从根部断裂脱离基体，会生成没有电化学活性的“死锂”，降低电池的库伦效率并??且阻碍锂离子传输的动力学［３４］。??自从１９８０年首次观测到锂沉积时枝晶的生长，许多研宄者开始研究和探索??枝晶的生长条件并且建立计算模型用于解释说明枝晶生长规律。在诸多的枝晶生??长模型中，Ｃｈａｚａｌｖｉｄ等人的电迁移限制模型得到了较多的关注和认可，并且在??后续锂金属负极枝晶生长抑制的研宄中也得到了许多实验的证实。１９９０年，??Ｃｈａｚａｌｖｉｅｌ首先在ＣｕＳ〇４水溶液中浸入两个铜电极并施加高电场（约１０Ｖ），电??池在高电流密度下极化，电极的阴离子浓度减少到零打破了电中性的平衡，因此??出现了正的空间电荷区域和巨大的局部电场，从而
?山东大学硕士学位论文???碼??图１－７：?ＦＥＣ：ＦＥＭＣ：ＨＦＥ混合电解液对ＳＥＩ、ＣＥＩ的影响［４４］??碱金属离子添加剂的静电屏蔽作用：Ｃｓ＋作为酯类电解液中的添加剂，可以??通过静电屏蔽作用抑制枝晶的生长％４９５。根据能斯特公式，当其他碱金属离子的??标准还原电势与锂离子相近且浓度很低时，碱金属离子的还原电位可以低于锂离??子的。因此，如图１－８所示，在锂发生沉积时，碱金属离子将会在电极表面吸附??而不发生还原反应。当电极表面出现非均匀沉积的凸起时，在尖端处将发生电荷??累积，碱金属离子被吸附在凸起附近形成静电屏蔽，这种静电屏蔽场将减缓锂离??子在凸起处的沉积因而抑制了凸起进一步生长成枝晶的可能性。??＃?？??：桃??＾?Ｌｉ＾?ｉｏｎ?Ｖ?Ｌｉｔｈｉｕｍ?ｔｉｐ?｜?＇，，；｜?Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ??９?Ｎｏｎ－ｉｉｔｈｉｕｍ?＼?Ｐｒｏｔｕｂｅｒａｎｔ?ｔｉｐ?＼?｜?Ｌｉｔｈｉｕｍ??ｃａｔｉｏｎ?ａ?ｍｅｔａｌ??图１－８：?Ｃｓ＋离子的静电屏蔽作用［４９］??溶剂和电解质盐：电解质盐能够影响ＳＥＩ的无机成分，因而能够影响电极的??电化学表现。Ｄｉｎｇ等人研究了不同类型的电解质盐，发现只有ＬｉＢＯＢ能够诱导??锂形成平滑的纤维状，其他盐?ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣｌ〇４、ＬｉＴＦＳＩ、ＬｉＣＦ３Ｓ０３、??ＬｉＤＦＯＢ、Ｌｉｌ使得锂沉积形貌为枝晶簇。ＬｉＡｓＦ６，ＬｉＢＯＢ和ＬｉＤＦＯＢ能够得至丨便??１２??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Porous LiF layer fabricated by a facile chemical method toward dendrite-free lithium metal anode[J]. Yanxia Yuan,Feng Wu,Guanghai Chen,Ying Bai,Chuan Wu. Journal of Energy Chemistry. 2019(10)
本文编号：3120188
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２：金属单质的比能量密度［１（）］??而金属锂由于其小的原子质量、极低的还原电势（－３．０４?Ｖｗ．标准氢电极）??和单一价态等优势在众多单质或化合物中脱颖而出（图１－２）
反应的产生。因此，理想的稳定ＳＥＩ膜应该具有以下几点特征：（１）具有??高的离子导电率，极低的电子导电率；（２）厚度合适可控，结构紧密可控，形??貌均一；（３）具有较高的弹性强度抑制ＳＥＩ膜的破损和并抑制枝晶的生长；（４）??具有极高的化学稳定性、热稳定性，不与其他物质发生反应。调控ＳＥＩ膜生长的??常用的手段有改变电解液添加剂、溶剂和电解质，设计电极成分以及改变充电模??夕?Ａ－Ｕ２〇??Ｂ?＊?ＵＦ??ｃ＊?ｙ２ｃ〇ｓ??０＊??￡＊?Ｓ＃ｍｉｃ〇ｒＢ〇ｐ．〇ｔｅｓ??图１－６：?ＳＥＩ的结构和间??除了?ＳＥＩ膜对锂金属的影响，充放电过程中枝晶和“死锂”的产生也是制约??锂金属负极发展的重要因素。枝晶和“死锂”的产生，是由于锂在基体上的不均匀??沉积导致的，锂离子在基体上的偏向生长（例如基体的凸起处）使得枝晶生长进??一步增强，而枝晶的继续生长会刺穿隔膜导致正负极短路，引发安全问题，枝晶??从根部断裂脱离基体，会生成没有电化学活性的“死锂”，降低电池的库伦效率并??且阻碍锂离子传输的动力学［３４］。??自从１９８０年首次观测到锂沉积时枝晶的生长，许多研宄者开始研究和探索??枝晶的生长条件并且建立计算模型用于解释说明枝晶生长规律。在诸多的枝晶生??长模型中，Ｃｈａｚａｌｖｉｄ等人的电迁移限制模型得到了较多的关注和认可，并且在??后续锂金属负极枝晶生长抑制的研宄中也得到了许多实验的证实。１９９０年，??Ｃｈａｚａｌｖｉｅｌ首先在ＣｕＳ〇４水溶液中浸入两个铜电极并施加高电场（约１０Ｖ），电??池在高电流密度下极化，电极的阴离子浓度减少到零打破了电中性的平衡，因此??出现了正的空间电荷区域和巨大的局部电场，从而
?山东大学硕士学位论文???碼??图１－７：?ＦＥＣ：ＦＥＭＣ：ＨＦＥ混合电解液对ＳＥＩ、ＣＥＩ的影响［４４］??碱金属离子添加剂的静电屏蔽作用：Ｃｓ＋作为酯类电解液中的添加剂，可以??通过静电屏蔽作用抑制枝晶的生长％４９５。根据能斯特公式，当其他碱金属离子的??标准还原电势与锂离子相近且浓度很低时，碱金属离子的还原电位可以低于锂离??子的。因此，如图１－８所示，在锂发生沉积时，碱金属离子将会在电极表面吸附??而不发生还原反应。当电极表面出现非均匀沉积的凸起时，在尖端处将发生电荷??累积，碱金属离子被吸附在凸起附近形成静电屏蔽，这种静电屏蔽场将减缓锂离??子在凸起处的沉积因而抑制了凸起进一步生长成枝晶的可能性。??＃?？??：桃??＾?Ｌｉ＾?ｉｏｎ?Ｖ?Ｌｉｔｈｉｕｍ?ｔｉｐ?｜?＇，，；｜?Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ??９?Ｎｏｎ－ｉｉｔｈｉｕｍ?＼?Ｐｒｏｔｕｂｅｒａｎｔ?ｔｉｐ?＼?｜?Ｌｉｔｈｉｕｍ??ｃａｔｉｏｎ?ａ?ｍｅｔａｌ??图１－８：?Ｃｓ＋离子的静电屏蔽作用［４９］??溶剂和电解质盐：电解质盐能够影响ＳＥＩ的无机成分，因而能够影响电极的??电化学表现。Ｄｉｎｇ等人研究了不同类型的电解质盐，发现只有ＬｉＢＯＢ能够诱导??锂形成平滑的纤维状，其他盐?ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣｌ〇４、ＬｉＴＦＳＩ、ＬｉＣＦ３Ｓ０３、??ＬｉＤＦＯＢ、Ｌｉｌ使得锂沉积形貌为枝晶簇。ＬｉＡｓＦ６，ＬｉＢＯＢ和ＬｉＤＦＯＢ能够得至丨便??１２??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Porous LiF layer fabricated by a facile chemical method toward dendrite-free lithium metal anode[J]. Yanxia Yuan,Feng Wu,Guanghai Chen,Ying Bai,Chuan Wu. Journal of Energy Chemistry. 2019(10)
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