二次电池锂金属电极及纳米电池的研究

摘要

能源危机和环境保护问题的日益严峻，便携设备的飞速发展，使二次电池面临重大的挑战。电池是否能满足高能、轻量、安全、环保的要求是决定其能否在市场上独领风骚的重要条件。金属锂具有最负的电极电位和最高的比容量，是极佳的负极材料。但由于充电时容易产生锂枝晶，引起安全性差和循环寿命短等问题，限制了其在商品化电池中的应用，抑制锂枝晶的产生和生长具有重大意义。 随着微型用电器件的发展，微型电池也倍受人们的关注。厚度在微米级的超薄电池已见报道，并正在向市场化方向迈进。微型电池的下一代新型科技成果必将是体积更小的纳米电池。由于纳米级别尺寸的限制，纳米电池的组装过程与普通电池将会有较大差异。如何组装尺寸在纳米级且还能保持一定电性能的纳米电池，这是一个崭新的课题。 为此，本论文主要针对上述问题进行了研究，并取得以下成果： 1.通过双向脉冲充电的方法抑制了锂金属电极表面枝晶的产生。原位显微镜观察结果表明，在0．2mA·cm-2的电流密度下对锂负极进行脉冲电流充电，充电量达到0．32mAh·cm-2时，锂负极表面无枝晶生成。而在相同平均电流密度的直流充电条件下，同样充电量时锂金属表面即产生明显的树状枝晶。扣式电池循环实验显示，脉冲充电的锂金属在Ni片上具有更好的循环可逆性和循环效率，首次沉积3小时的金属锂，在后续放电一小时一双向脉冲充电一小时的循环下，30次后仍能正常放电。而在同样平均电流密度的直流充电下，首次沉积3小时的锂量只4次循环即损耗完全。交流阻抗谱结果显示在双向脉冲充电下，锂电极的表面积增长较直流充电时缓慢，从界面变化的角度验证了上述现象。此外，原位显微镜观测结果表明双向脉冲充电对于金属锂／凝胶电解质体系，也具有抑制锂枝晶的作用。双向脉冲充电是一种能抑制锂负极在充电过程中表面产生枝晶的新方法，有望促进锂金属用作锂二次电池负极材料的发展。此外，针对脉冲电流充电对锂枝晶的抑制作用提出了初步的解释。 2．采用模板法与电化学方法相结合，利用阳极氧化铝模板(AA0)，成功组装了纳米尺寸电池。通过二次阳极氧化法，制得具有孔径80-100nm，厚度17μm的六边形规则排布纳米孔道的阳极氧化铝膜。采用电化学方法在AAO模板中沉积了PPy，通过循环伏安法研究了其电化学性能，表明PPy具有优良的电化学可逆性和循环性能，适合用作电池的电极材料，SEM结果显示了溶掉AAO模板后的PPy的直径与所用模板的纳米孔径相当，说明了模板法在控制纳米尺寸上的有效性。此外，以AAO为模板，采用不同电极材料，组装了聚吡咯／二氧化钛／聚苯胺(PPy／Ti02／PAn)阵列纳米电池、二氧化锰／二氧化钛／锌(MnOz／Ti02／Zn)阵列纳米电池，研究了纳米电池的组装过程。并采用细金丝做探针，通过电化学工作站研究了PPy／Ti02／PAn阵列纳米电池充放电性能，用Mn02／Ti02／Zn阵列纳米电池驱动了电子手表。采用原子力显微镜(ArM)观测了已组装好纳米电池的AAO模板一侧，清晰的PPy有序阵列证明了纳米电极材料的成功组装和纳米电池阵列的有序性。此外，组装了聚吡咯／PEO／聚苯胺(PPy／PEO／PAn)纳米电池，探讨了PEO替代Ti02用作纳米电池隔膜的可行性。设计并初步验证了锂聚合物纳米电池(PPy/聚合物电解质／Li)的组装方法，为将来模板法组装纳米电池拓宽思路。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章双向脉冲充电方法对抑制锂枝晶生长的研究

第三章纳米电池的研究

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