功能性聚合物涂层对于锂金属负极保护方面的研究

发布时间：2020-04-19 23:22

【摘要】：锂金属是一种理想的负极材料。由于其自身具有高的理论比容量和低的氧化还原电位,因而它可以显著地提高电池的能量密度,从而满足市场对于高能量密度电池的需求。然而,枝晶状Li的形成以及差的循环性能阻碍了其在可充电电池中的实际应用。考虑到极性官能团与电解液中离子间的化学作用力,我们在电极表面构建了一层具有丰富官能团的聚合物涂层作为人造SEI层来调控电解液与电极界面附近区域离子的电化学行为,因此实现了无枝晶的锂沉积以及改善了金属锂负极的循环性能。(1)丝胶蛋白的多肽链上具有众多的极性官能团。利用其中丰富的亲锂性的位点(-OH,-COOH和-CO-NH-)和亲阴离子性的位点(-NH_2),可以分别调控电极/电解液界面处的Li离子和阴离子,实现均匀的Li沉积和剥离。在具有丝胶涂覆的Cu阳极的Li/Cu电池中可以获得超长的循环寿命和98%的高平均库仑效率。即使在极端测试条件下(10 mA cm~(-2),5 mAh cm~(-2)),丝胶蛋白功能化的Li金属阳极也在对称电池中显示出更优异的循环稳定性。共形的丝胶涂层可以有效地抑制空气和多硫化物对金属Li的侵蚀,基于丝胶涂层包覆的Li阳极的Li-S电池表现出显著提高的倍率性能和长循环性能;(2)聚乙烯醇(PVA)和Li离子间的高结合能使得其分子骨架上亲锂性的位点(-OH)可以吸引大量的Li离子,从而缓解Li离子向电极表面突起处聚集的趋势以及均匀化电极/电解液界面处的锂离子束流,因此Li离子可以均匀地沉积在电极表面。在1,3,5和10 mA cm~(-2)的电流密度下,PVA涂覆的Cu电极表现出更长的循环寿命并且相应的库伦效率分别提高至98.1,97.6,97.5和97.2%。此外,使用PVA涂覆的Li作为阳极在0.2 C和1 C倍率下有效地改善了Li-S全电池的长循环性能。
【图文】：

枝晶,电对流

第1 章绪论3图1.1 枝晶状锂的沉积[9]当锂金属电池在低的电流密度下循环时，电场线的束集以及锂离子优先迁移到电极表面粗糙的区域将会导致沉积锂形态的不稳定性，即锂枝晶。当电池在高的电流密度下循环时，负极表面区域电解液中阴离子的耗尽将会形成一个大的电场，称为“空间电荷”[10,11]，其会导致流体动力学的不稳定性，即“电对流”[12]。这种电对流将会“吸走”正在生长的锂枝晶周围区域的锂离子，并使它们聚集在枝晶的尖端，，从而促进枝晶的生长[13]。负极表面枝晶状锂的沉积对电池的运行产生了严重的安全隐患，后续锂枝晶的生长能够刺穿内部的隔膜进而与正极相接触

形貌,金属锂,锂离子,负极

第1 章绪论4图1.2 锂离子沉积和剥离过程中，金属锂负极上形貌的演变[15]图1.3 锂金属负极的失效[16]电流密度越大，沉积的锂晶粒越小[17]，因此增加的锂负极与电解液处的界面将会产生更多的 SEI 组分。这些组分在锂晶粒表面的堆积阻止了锂金属晶粒的致密熔合，从而导致负极孔隙率的增加，并且限制住了锂晶粒之间金属锂的直接接触。由于失去了与集流体相连的锂金属间的电接触，一些金属锂颗粒最终将会被 SEI层彻底包覆而变成“死锂”[18]。后续的循环中，新鲜的锂金属将会被进一步地消耗掉，成为 SEI层成分（即 LiF
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ317;TM912

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