反应—扩散对锂电池枝晶抑制作用研究

发布时间：2021-10-13 06:59

　　近年来,能源供给日益紧张的局势迫切要求人们研发兼具高能量密度和长使用寿命的金属二次电池（如锂、钠、锌、镁金属电池等）,以满足电动汽车、便携式电子设备、航天电源等领域的能源需求。在上述二次电池中,锂金属作为负极时,因具有最低的还原电势（—3.04 V vs标准氢电极）和最高的理论容量（3860 mAh g-1）,引起了科研工作者强烈的兴趣。但目前,锂金属电池因锂枝晶问题使其应用前景大打折扣。这主要是因为:（1）锂枝晶的生长与蔓延极易诱发电池内部短路导致电池安全问题;（2）锂枝晶在快速放电过程中,极易脱落于电解质液中形成“死锂”,降低电池容量和缩短电池的使用寿命。（3）锂枝晶刺破固体电解质保护层,与电解液发生副反应,消耗电解液,缩短电池的使用寿命。由此可见,锂枝晶的抑制是开发高功率密度和长使用寿命储能电池的首要前提。在过去几十年中,科研工作者通过对电解液改性、固体电解质界面保护、固态电解质、结构化或功能化负极、隔膜改性、充电方式等技术手段来抑制锂枝晶。上述有关材料创新的研究工作已取得重要进展,但锂枝晶难题依然悬而未决。理解枝晶结构的生成机制角和洞悉枝晶结构生长的驱动力将有助于提出新的抑制锂... 

【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)北京市

【文章页数】：177 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１．１化学电源示意图??

锂电池发展甚至一度停滞。直至１９９１年，索尼公司以钴酸锂为电池正??极材料，以碳材料为负极（锂离子嵌入形成ＬｉＡ．Ｃ化合物），避免了使用金属锂作??为负极带来的电池内部短路的问题（图１．３ｂ）?［５］。在充电过程中，锂离子从正极??化合物ＬｉＣｏ０２晶格中脱出生成Ｌｉ７＿ｘＣｏ０２，脱出的锂离子在电解液（如商用电解??液ｌｍｏｌ／ＬＬｉＰＦ６／ＥＣ／ＤＭＣ）中由正极向负极传输，在负极处嵌入碳插层材料形成??ＬＬＴＣ。至今锂离子电池仍广泛应用于日常生活中的方方面面［７４（）］。??⑷??？???＋?＊??Ｐｏｓｉｔｉｖｅ?Ｎｏｎ－ａｑｕｅｏｕｓ?Ｎｅｇａｔｉｖｅ??（Ｌｉｘ?Ｈｏｓｔ?１）?ｌｉｑｕｉｄ?ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ?（Ｌｉｔｈｉｕｍ）??Ｉ??Ａｆｔｅｒ?１ＣＸ）?ｃｙｃｌｅｓ??（ｂ）??？???．??Ｐｏｓｉｔｉｖｅ?Ｎｏｎ－ａｑｕｅｏｕｓ?Ｎｅｇａｔｉｖｅ??（Ｌｉｘ?Ｈｏｓｔ?１）?ｌｉｑｕｉｄ?ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ?（Ｌｉｘ?Ｈｏｓｔ?２）??＼ｌ〇〇°〇ｗ??图１．３锂离子电池和锂金属电池的工作原理图示１５１??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ?ａｎｄ?ｏｐｅｒａｔｉｎｇ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ?ｏｆ?ｌｉｔｈｉｕｍ?ｍｅｔａｌ?ｂａｔｔｅｒｙ?ａｎｄ??ｌｉｔｈｉｕｍ?ｉｏｎ?ｂａｔｔｅｒｙ１５１．??在商业化的锂电池中

金属锂是电池的理想负极，因为它具有最高的理论容量ＧＳｅＯｍＡｈｇＵ），最低的??密度（０．５９ｇｃｎｆ３）和最负的电化学电位（一３．０４Ｖ?）。与现有的ＬＩＢｓ相比，金??属锂作为负极进一步提高了锂金属电池（ＬＭＢ）的能量密度，如图１．５所示，Ｌｉ－０２??和Ｌｉ－Ｓ电池分别具有高达３５０５?Ｗ?ｈ?ｋｇ“和２５６７?Ｗ?ｈ?ｋｇ—１的理论能量密度［６３＃］。??这些锂金属电池充分发挥了金属锂的优势，在满足新兴行业高能量密度需求层面??具有巨大潜力。??（ａ）?（ｂ）?■ｕｎｍ咖丨ａｕｔｊｍ??：?－?？?Ｏ?－??翻Ｉ關??，ｃ，ｙＥ＾§??＂Ｕｒ?＿?Ａｎｏｄｅ?ｍＭｔｒｉａｂ??＾?ｍｍｍｍｍｍ?■■ｍｍｍｍｍｍｍ?〇ｔ?Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ?ｓｉｄｅ?ｒｅａｃｔｉｏｎ??差一?＊?ＥＳＳＳＢＢＤ??一?．?１??１０ｉｘＵ？ｃｃ＾—一??图１．５锂金属电池优势及其面临问题分析：（ａ）锂离子电池示意图；（ｂ）锂金属电池示意??图；（Ｃ）典型电极材料在电压和容量方面的比较，ＬＭＢｓ的能量密度远大于ＬＩＢｓ；?（ｄ）锂??枝晶引起的安全问题；（ｅ）连续副反应引起的较低的循环性能；（ｆ）负极内无限的体积变化??引起的负极粉碎１６３４５１??Ｆｉｇｕｒｅ?１．５?Ｔｈｅ?ａｄｖａｎｔａｇｅ?ｏｆ?ｌｉｔｈｉｕｍ?ｍｅｔａｌ?ｂａｔｔｅｒｙ?ａｎｄ?ｉｔｓ?ｐｒｏｂｌｅｍ．（ａ）?ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ??ｂａｔｔｅｒｉｅｓ?ａｎｄ?（ｂ）?ｌｉｔｈｉｕｍ－ｍｅｔａｌ?ｂａｔｔｅｒｉｅｓ


本文编号：3434175