锂金属电池中负极结构设计对枝晶抑制的作用

发布时间：2020-12-14 10:51

　　金属锂由于其超高的理论容量（3840 mAh g-1）,较低的密度（0.534 gcm-3）以及最低的电势（-3.04 V）被认为是锂电池负极的理想材料。然而锂金属电池受制于库伦效率低、容量衰减严重、循环寿命短的因素而难以推广应用。这些问题从电化学本质上来说是由于锂金属在沉积/剥离过程中的枝晶生长引起的。枝晶的生长与固体电解质界面（SEI）的不均匀性,金属锂沉积基体电场的不均匀性以及锂离子通量的不均匀性有关。本文从锂金属电池的负极结构设计入手,通过解决金属锂的不均匀沉积避免锂枝晶的生长,从而提高其循环寿命以及库伦效率。我们设计了以三聚氰胺泡沫为基体搭载金作为成核生长点的三维导电网络结构,金作为锂金属成核生长点具有极低的成核势垒,同时作为良导体,金可以有效均匀化基体电场强度,而三聚氰胺泡沫具有的三维网络结构则可以有效均匀化电解质中的锂离子通量,并通过增大表面积从而降低局部电流密度,同时三维空间结构也有利于限制金属锂的体积膨胀问题。基于以上优点,以三聚氰胺泡沫-金为载体的锂负极在1 mA cm-2电流密度下表现出了超过350次的循环寿命以及99%左右的高库伦效率。在5 mAcm-2的大电流... 

【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：90 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１－１?（ａ）碳酸烷基酯溶液中锂电极ＳＥＩ膜形成的示意图（ｂ）?ＳＥＩ膜结构的“马赛克??

穿过ＳＥＩ膜中的空位。最后，锂离子到达负极表面并接受来自外部电路的电子，??并作为金属锂颗粒沉积。这种沉积机制决定ＳＥＩ膜必须拥有很高的均一性才能保??持金属锂的均匀沉积。如图１－１?（ｂ），?“马赛克”结构导致ＳＥＩ膜具有高度不均匀??性，同时也缺乏灵活性，在界面波动的时候非常脆弱，导致ＳＥＩ膜的破裂，而这??种破裂会进一步加剧ＳＥＩ膜的不均匀性，这对于金属锂的沉积具有及其不利的影??响。??１．２．２锂枝晶的生长??在Ｃｕ，Ｎｉ，Ｚｎ等金属的高电流密度沉积中，枝晶的生长是非常常见的，目??前已经得到了广泛的研究与突破，实现了工业化的应用［３３］。与之类似，研究人员??通过在对称锂／聚合物电池中的原位观察提出了解释枝晶形核和生长的基本机制，??■并采用简单的双极扩散方程来描述离子浓度的变化（图ｌ＿２ａ），如下所示：［３４］??＿?（式?１－１）??ｄｘＫ?Ｊ?ｅＤ（ｆｉａ＋＾ｕ＋＾＞??其中Ｊ是有效电极电流密度，Ｄ是双极扩散系数，ｅ是电荷，＃和分别??表示阴离子和Ｌｉ＋迁移率。如果ｄＣ／ｄｘ＜２Ｃｏ／Ｌ?（Ｌ和Ｃｏ分别指内电极距离和初??始浓度）

图１－３高充电电流密度下锂阳极的失效机理


本文编号：2916296