發(fā)布時間：2021-01-02 07:09

　　金屬鋰擁有極高的理論比容量3860 mAh/g、最低的電勢電位-3.04 V（相對標(biāo)準(zhǔn)氫電極）以及較低的密度0.534 g/cm³,同時擁有良好的導(dǎo)電性,是下一代高能量密度電池負極材料有力的“候選者”。然而,金屬鋰在電化學(xué)反應(yīng)過程中存在較高的反應(yīng)活性、不均勻的鋰沉積、巨大的體積膨脹、不規(guī)則的鋰枝晶生長等問題,使得鋰金屬的商業(yè)化舉步維艱。目前,為了解決鋰金屬面臨的這些問題,主要方法有:鋰金屬的結(jié)構(gòu)設(shè)計、電解液改性、人工固體電解質(zhì)界面膜（SEI）、隔膜改性等。本論文主要從構(gòu)造人工SEI膜入手,通過在金屬鋰表面修飾功能性的聚氨酯基人工固體電解質(zhì)膜,提升鋰離子在鋰金屬表面均勻沉積,避免鋰枝晶的生成,從而達到提高鋰負極穩(wěn)定性的目的。主要研究內(nèi)容如下:（1）通過均勻涂覆的方式,在鋰金屬表面構(gòu)筑一層人造SEI膜。本章主要通過將PEG₅₀₀和二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）反應(yīng)形成線性聚氨酯,再與鋰鹽氟化鋰（LiF）結(jié)合形成鋰鹽復(fù)合型人造SEI膜（AMF）。AMF膜擁有良好熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能,能夠起到物理隔離作用,避免了電解液和鋰金屬接觸造成的電解液持續(xù)分解問... 

【文章來源】：江漢大學(xué)湖北省

【文章頁數(shù)】：83 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖

總反應(yīng)方程式:LiFePO4+6xC→Li1-xFePO4+LixC6。鋰離子電池作為鋰二次電池的一種典型代表,但鋰二次電池還包括以鋰金屬作為負極材料,正極采用具有嵌入型結(jié)構(gòu)的鈷酸鋰(LiCoO2)、磷酸鐵鋰(LiFePO4)等材料,也有的是O2、S等基于轉(zhuǎn)換反應(yīng)的材料的一類電池[15]。以LiFePO4-Li為例的工作原理如下所示:

鋰金屬作為鋰電池的負極材料擁有極高的理論比容量3860 mAh/g和最低的電勢電位-3.04 V(相對標(biāo)準(zhǔn)氫)以及較低的重量密度0.534 g/cm3,同時擁有良好的導(dǎo)電性,由于交換電流密度大,因此鋰電極在反應(yīng)中產(chǎn)生的極化非常小,這些都是鋰金屬作為負極不可忽略的優(yōu)勢[16]。然而鋰金屬作為負極也面臨著重重的困難(圖1-3),其中最大的問題就是循環(huán)性能和安全問題,而引起這些問題的根本原因就是鋰金屬的高反應(yīng)活性和鋰枝晶的形成。由于鋰金屬的活性很高,在傳統(tǒng)的液態(tài)電解液體系中,會立即形成固態(tài)電解質(zhì)膜(SEI)。理想的SEI可以有效的抑制鋰金屬與電解質(zhì)的進一步反應(yīng),抑制鋰枝晶的形成。但鋰金屬表面的SEI往往不是很理想無法保護鋰金屬不與電解液進一步反應(yīng),使得SEI和電解液不斷干化,最終導(dǎo)致電解液大量消耗、活性鋰離子大量損失[17]。同時,鋰離子在循環(huán)過程中的沉積更偏向樹枝狀或者三維狀或苔蘚狀的沉積形式,這樣的沉積形式就會造成鋰枝晶的不規(guī)則生長,鋰枝晶在生長過程中斷裂堆積則成為不會貢獻容量的“死鋰”導(dǎo)致低的庫倫效率;持續(xù)生長的鋰枝晶則有可能穿破隔膜,使正負極短接,造成熱失控,進而引發(fā)火災(zāi)。更為嚴(yán)重的是,鋰金屬陽極由于死鋰的大量堆積引起體積的無限變化會使其孔隙率增大,由致密結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫仔螒B(tài),造成結(jié)構(gòu)疏松,最終導(dǎo)致容量的衰減[18]。因此,要實現(xiàn)鋰金屬的大規(guī)模應(yīng)用,必須要改進鋰金屬的沉積形式,即在安全性能得到保障的情況下,進一步解決電池在循環(huán)過程中的低庫倫效率以及鋰金屬體積膨脹造成的負極活性物質(zhì)的損失即容量迅速衰減的問題。1.3.1 鋰負極存在的問題

【參考文獻】：
碩士論文
[1]鋰金屬電極/電解質(zhì)界面的第一性原理研究[D]. 吳小紅.中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院過程工程研究所) 2019
[2]鋰金屬電池固態(tài)電解質(zhì)構(gòu)筑及表界面微觀機制研究[D]. 汶凱華.中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院過程工程研究所) 2018
[3]金屬鋰負極的穩(wěn)定化設(shè)計及在高比能電池中的應(yīng)用研究[D]. 劉崇武.中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所) 2018



本文編號：2952898