结构化金属锂负极的设计制备及电化学性能研究

发布时间：2022-01-17 17:38

　　随着便携式智能电子设备以及电动汽车市场的蓬勃发展,人们对具有高能量密度和高功率密度的新一代储能设备提出了迫切需求,极大地推动了锂电池高性能电极材料的发展。其中,金属锂具有极高的理论比容量（3860 mAh/g或2061mAh/cm³）和极低的电化学电位（-3.04 V相对于标准氢电极）,被认为是锂电池负极发展的终选材料。然而,在充放电过程中锂枝晶的形成和电极的体积膨胀等问题严重制约其实际应用。目前,结构化金属锂负极的设计被认为是解决上述问题的有效方法之一,即通过引入泡沫铜、泡沫镍等多孔金属或者石墨烯等多孔碳材料,将其与金属锂复合制备三维结构化复合金属锂负极。多孔的导电骨架可以分散电流密度,稳定电场分布,抑制锂枝晶的形成,同时基体的孔道结构可以提供足够的空间供金属锂沉积,并容纳循环过程中形成的Li/SEI相,使其保持电化学活性,缓解电极的体积膨胀。因此,如何设计出具有合适孔道结构的三维基体,采用简便易操作的方法制备具有可控质量载荷的大面积三维结构化复合金属锂负极仍然是未来的研究重点。基于此,本文以结构化金属锂负极的设计与可控制备为重点展开研究,具体研究内容如下:（1... 

【文章来源】：上海大学上海市 211工程院校

【文章页数】：85 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

传统的锂离子电池工作原理图

图 1.2 （a）锂金属电池的工作原理；（b）传统的燃油与几种典型锂电池体系之间的质量比能量（红色）和体积比能量（蓝色）的对比图在 LMB 电池中，金属锂作为负极被直接利用，由于其反应活性较高，极易与电解液发生反应，尤其是在液态有机电解液体系中，反应程度更深。金属锂具有与其他负极材料不同的电化学反应过程，其反复充放电过程中产生的锂枝晶和体积膨胀效应等不安全和不稳定因素严重制约其发展进程[24-26]。具体而言，由于金属锂负极失效而产生的电池故障可分为三类：（1）锂枝晶生长引起的电池短路锂离子在锂金属电池中的沉积/剥离行为与其在锂离子电池中的插层/脱嵌行为完全不同，在充电过程中，锂离子迁移到负极表面，从外部电路中获取电子，然后以金属锂粒子的形式直接沉积在负极表面或下方[27, 28]。在可充放电锂金属电池中的金属锂需要在充放电过程中被反复沉积/剥离，锂枝晶极易在负极表面形

其中 J 是有效电极电流密度，D 是非极性扩散系数，e 是电子电荷常数，μa和 μLi+分别代表阴离子和 Li+的迁移率。在锂锂对称的聚合物电池中，如果 dC/dX<2C0/L（L 为内部电极间距离，C0代表电极表面锂盐的初始浓度），负极表面的离子浓度和静电势保持恒定，锂离子可以实现均匀平滑的沉积；如果 dC/dX>2C0/L，如图 1.3 所示[15, 21]，负极周围的锂离子被迅速消耗且无法补充，在一段时间内锂离子浓度变成 0，此时间段称为 Sand’s Time（τ）其计算过程如公式 1-2：（1-2）结果表明，在 τ 时间内，阴离子和锂离子的浓度变化表现出不同的行为，导致负极附近的正电荷过剩，这种行为将导致局域空间电荷的产生，形成一个较大的电场，导致锂枝晶的成核和生长。


本文编号：3595154