直孔电极和多孔铜集流体的溶液相转化法制备与表征

摘要

锂二次电池是重要的电化学储能体系，如今的商业化应用对其能量密度和功率密度有更高的要求。提高能量密度和功率密度的方法之一是从成型工艺和装配技术的角度入手优化电极的微结构。当电极上的活性物质负载量较大且处于大倍率充放电时，电极中益折的孔道将会阻碍锂离子的液相扩散，导致锂离子分布不均而存在浓差极化。针对这一问题，本文从成型工艺的角度出发，利用溶液相转化法成型具有直孔结构的LiFePO4电极并研究了直孔对电极电化学性能的影响。另一种提高能量密度以及功率密度的方法是优化正、负极材料，即从电极材料入手。锂金属因具有极高的理论能量密度和极低的氧化还原电位而被认为是理想的负极材料。然而，锂金属负极中枝晶的不可控生长给电池体系造成了潜在的短路风险。针对这一问题，本文提出了利用溶液相转化法成型多孔铜集流体，以抑制枝晶的产生和生长，优化锂金属负极的电化学性能。
　　本论文的第一部分内容是利用溶液相转化法制备多孔LiFePO4电极，主要探究了溶液相转化法的成型工艺、实验参数等对电极的微结构和电化学性能的影响。实验表明采用NMP为溶剂、PVDF为粘结剂、水为絮凝剂，并在10℃条件下完成溶液相转化可以成型出具有直孔结构的电极。电化学数据表明当电极处于高负载量大倍率条件下，直孔结构对改善浓差极化有明显的作用，溶液相转化制备的电极表现出比传统电极更加突出的电化学性能。
　　本论文的第二部分内容研究了利用溶液相转化法成型具有双极孔结构的多孔铜，并分别利用一步法和两步法两种热处理工艺去除其中的聚合物相而得到具有一定强度的多孔铜集流体。将它应用于锂金属负极时，多孔铜中的大比表面为锂的沉积提供了大量的有效沉积位点，而其中的孔隙起到了抑制锂枝晶生长的作用。以两步法热处理的多孔铜作为集流体的锂金属电池表现出良好的电化学性能，在锂沉积量为1 mA h/cm2、电流密度为1 mA/cm2的条件下，循环寿命高达470小时，在前225个循环中库伦效率不低于96％。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 锂二次电池的简介

1．1．1 电池的结构与组成

1．1．2 能量密度与功率密度之间的关系

1．1．3 孔结构对锂离子电池性能的影响

1．1．4 三维多孔电极的制备方法

1．2 溶液相转化法介绍

1．2．1 基本原理

1．2．2 溶液相转化法的应用

1．3 用于锂二次电池的金属锂负极简介

1．3．1 锂金属负极目前面临的问题

1．3．2 锂金属负极电化学性能的改善方案

1．4 本文的研究背景与研究内容

第二章 直孔LiFePO4电极的溶液相转化法制备及其电化学性能研究

2．1 引言

2．2 成型工艺探索

2．2．1 调制活性物质浆料

2．2．2 改善活性物质层与集流体界面的粘合力

2．2．3 制备活性物质层

2．3 半电池组装与测试

2．4．1 蒸馏水对LiFePO4粉体的影响

2．4．2 粘结剂种类对电极的影响

2．4．3 絮凝剂种类对电极孔结构的影响

2．4．4 絮凝剂温度对电极孔结构的影响

2．5 直孔结构在电极反应过程中的作用

2．6 本章小结

第三章 溶液相转化法成型多孔铜集流体及锂金属电池性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 溶液相转化法成型多孔铜集流体

3．2．2 电池装配及电化学测试

3．2．3 样品结构表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 多孔铜的微观形貌和成分分析

3．3．2 金属锂电池的电化学性能及锂的沉积行为分析

3．4 本章小结

第四章 结论与展望

4．1 本文主要结论

4．2 展望

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢