鋰基儲(chǔ)能體系具有高能量密度、高功率密度的優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。表界面改性技術(shù)可以進(jìn)一步優(yōu)化鋰基電極的倍率、壽命、安全等。首先,本文以表界面形核原理為基礎(chǔ),將界面的形核熱力學(xué)應(yīng)用于鋰金屬電極的負(fù)極保護(hù)領(lǐng)域,深入探索了新型鋰負(fù)極保護(hù)路線;其次,結(jié)合半導(dǎo)體電化學(xué)理論建立了新的模型,探討了鋰基電池中襯底/活性物質(zhì)/電解液界面處電子、離子轉(zhuǎn)移傳輸過程中的熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)問題;最后,基于該模型,用PECVD(等離子體化學(xué)氣相沉積)技術(shù)設(shè)計(jì)了兩種界面優(yōu)化方案,提高了鋰基電極的電化學(xué)性能。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:(1)從形核熱力學(xué)角度出發(fā),提出了鋰枝晶的薄膜生長(zhǎng)模型,探索了抑制枝晶的新方案。在充放電過程中,部分電能轉(zhuǎn)化為表面能使鋰金屬表面逐漸粗糙化:在電場(chǎng)作用下,鋰基負(fù)極表面聚集大量的負(fù)電荷,基底表面能發(fā)生了偏移(沉積物質(zhì)與基底的表面能發(fā)生差負(fù)向偏移),形成島狀生長(zhǎng)的鋰金屬沉積。(2)基于薄膜生長(zhǎng)的同質(zhì)形核理論,利用銅網(wǎng)對(duì)鋰金屬表面進(jìn)行修飾,獲得了具有較低極化電壓的金屬鋰負(fù)極,且其倍率性和循環(huán)穩(wěn)定性都優(yōu)于本征電極。SEM(掃描電子顯微分析)表明修飾的鋰金屬表面循環(huán)后沒有出現(xiàn)明顯枝晶,且其表面SEI膜(固體電解質(zhì)界面膜)呈現(xiàn)出類似于拉鏈狀縫合破裂的現(xiàn)象,這主要是因?yàn)閼?yīng)力的選擇性釋放有效的保護(hù)了主體SEI膜,獲得了穩(wěn)定的表面形貌,提高了鋰金屬負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性。(3)以半導(dǎo)體電化學(xué)理論為基礎(chǔ),提出了適應(yīng)于鋰離子電池的界面模型。利用能帶理論解釋了襯底/活性物質(zhì)/電解液界面的離子電子傳輸行為,并且指出在襯底電子轉(zhuǎn)移熱力學(xué)和離子傳輸動(dòng)力學(xué)的共同影響下,反應(yīng)界面出現(xiàn)的能帶彎曲所處的能級(jí)是界面處的化學(xué)行為的驅(qū)動(dòng)力的關(guān)鍵。根據(jù)該模型擬利用PECVD技術(shù)優(yōu)化界面:一是從界面潤(rùn)濕性角度來提高襯底/活性物質(zhì)界面的接觸面積;二是從SEI膜鋰離子傳輸速率角度來優(yōu)化活性物質(zhì)/電解液界面。(4)利用PECVD優(yōu)化活性物質(zhì)/電解液界面層。傳統(tǒng)的碳包覆層一般作為電極和電解液的隔離層,可以適當(dāng)?shù)靥岣咪囯姌O的循環(huán)壽命和穩(wěn)定性,但非晶碳電子離子導(dǎo)電性較低導(dǎo)致其效果并不理想。利用PECVD法在碳纖維紙上原位生長(zhǎng)石墨烯墻,獲得了優(yōu)異的活性物質(zhì)/電解液界面層,此界面層為L(zhǎng)型石墨烯背靠背,通過π-π共軛鍵結(jié)合形成反T型石墨烯結(jié)構(gòu)。其中,平行于界面的石墨烯有效地阻止了溶液中各種離子與雜質(zhì)的進(jìn)入,可以充當(dāng)界面保護(hù)層;垂直于界面的多層石墨烯是高效的離子通道。因該界面層的電場(chǎng)和尺寸離子篩選特性以及直立石墨烯的短離子傳輸通道特性,使得在醚類電解液中經(jīng)該界面層改性的碳紙儲(chǔ)鋰負(fù)極具有良好的穩(wěn)定性和倍率性。(5)利用PECVD技術(shù)優(yōu)化集流體/活性物質(zhì)界面層。利用PECVD在銅基集流體原位生長(zhǎng)直立石墨烯(烯銅集流體)。由于烯銅集流體/活性物質(zhì)界面良好的潤(rùn)濕性以及循環(huán)過程中烯銅集流體SEI膜的穩(wěn)定性,同等條件下組裝的石墨半電池在3 C倍率放電時(shí),放電容量可達(dá)到190 mAh/g,明顯優(yōu)于商業(yè)涂炭銅箔樣品(約160 mAh/g)以及普通銅箔集流體樣品(約90 mAh/g)。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM912
【部分圖文】：

電化學(xué)沉積工藝的發(fā)展Figure1.1Themilestonesofelectrodepostion

圖 1.1 電化學(xué)沉積工藝的發(fā)展Figure 1.1 The milestones of electrodepostion積技術(shù)分為陰極極化還原法和陽(yáng)極極化氧化法，如發(fā)展，電解液也從水系離子電解液逐漸發(fā)展為有機(jī)電在沉積工藝上又分為直流電沉積、交流電沉積和脈

圖 1.3 真空物理氣相沉積的發(fā)展歷程Figure 1.3 The milestones of PVD at high vacuum 是由高能粒子轟擊靶材所形成的高速粒子或者高溫?zé)峤庑纬裳匾欢ǚ较虺练e在基底材料表面的一種鍍膜方法，主要分為以） 靶材的氣化；） 靶材活性分子、離子、原子的遷移；） 靶材活性碎片（分子、離子、原子）在襯底表面的遷移、沉較為常見是高能源轟擊靶材鍍膜，如下圖 1.4 所示：

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前8條

1 艾新平;;可充金屬鋰負(fù)極,路在何方?[J];儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù);2018年01期

2 戴朝典;;ARPA-E在第13屆年度鋰電池材料和化學(xué)會(huì)議上介紹了固態(tài)電池商業(yè)化路徑[J];汽車電器;2017年09期

3 羅紅斌;鄧林旺;馮天宇;呂純;;LiFePO_4鋰離子動(dòng)力電池內(nèi)阻與放電倍率關(guān)系研究[J];儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù);2017年04期

4 李e

本文編號(hào)：2825920