锂金属电池中负极结构设计对枝晶抑制的作用

摘要

金属锂由于其超高的理论容量(3840mAh g-1)，较低的密度(0.534g cm-3)以及最低的电势(-3.04V)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1mA 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5mA cm-2的大电流密度下也可以保持100次以上的循环寿命。这种制备简单、密度小、柔性好的结构对于电池性能提升明显，有望应用于可穿戴设备等领域。
　　同时我们原位在锂金属表面生成了一层氨基锂作为人工SEI膜，相比原生的SEI膜，氨基锂人工SEI膜更加均匀，在锂金属的沉积/剥离过程中不易破裂，既保证了金属锂的均匀沉积，又从物理上阻挡了枝晶的生长。这种通过氨气处理的金属锂负极在1mA cm-2电流密度下保持了300次以上的循环寿命，同时具有良好的全电池性能。
　　综上我们通过设计金属锂电池的负极结构有效的抑制了锂金属在沉积/剥离过程中的枝晶生长，并取得了优异的电化学性能。这种通过设计的手段构建合适的负极结构，可以进一步推广到各种复合的结构中，为锂金属电池研究提供了一个全新的角度。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．2 锂金属电池负极失效机制

1．2．1 不稳定的固体电解质界面

1．2．2 锂枝晶的生长

1．2．3 锂金属沉积／剥离过程中产生的的无限体积膨胀

1．2．4 锂金属电池失效机制间联系总结

1．3 锂金属电池中负极结构设计策略

1．3．1 人工SEI膜保护锂金属负极策略

1．3．2 搭载亲锂形核位点策略

1．3．3 均匀化粒子流策略

1．4 选题的目的和意义

1．5 课题主要研究内容

第二章 实验与测试方法

2．1 研究方案

2．2 主要实验原料

2．2．1 三聚氰胺泡沫

2．2．2 其他

2．2．3 电池组装原材料

2．3 实验仪器与设备

2．3．1 材料制备设备

2．3．2 材料表征设备

2．4 实验方法

2．4．1 三聚氰胺泡沫预处理过程

2．4．3 三聚氰胺泡沫-氧化石墨烯(MFG)的样品制备

2．4．4 氨基锂人工SEI膜的制备

2．5 分析表征方法

2．5．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．5．2 X射线衍射仪(XRD)

2．6 电化学测试

2．6．1 电池的组装

2．6．2 充放电测试

2．6．3 交流阻抗(AC)测试

2．6．4 全电池测试

第三章 三聚氰胺泡沫／金@Li作为锂金属电池负极性能研究

3．1 引言

3．2 三聚氰胺泡沫-金复合材料的制备

3．3 不同成核点对于金属锂在三聚氰胺泡沫-金属基底表面成核的影响

3．4 电流密度对于金属锂在三聚氰胺泡沫-金基底表面成核的影响

3．5 三聚氰胺泡沫-金复合材料电化学性能研究

3．6 小结

第四章 氨基锂人工SEI膜的制备及其对于锂金属电池枝晶生长的影响

4．1 引言

4．2 氨基锂人工SEI膜的制备与结构表征

4．3 氨基锂人工SEI膜锂金属电池电化学性能表征

4．3．1 氨基锂人工SEI膜为基底成核性能研究

4．3．2 氨基锂人工SEI膜锂金属电池循环性能研究

4．3．3 氨基锂人工SEI膜全电池性能研究

4．4 小结

第五章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介