【摘要】：金屬鋰(Li)以其極高的理論比容量(3860 mAh g-1)、最低的還原電勢(-3.04 V,vs.標(biāo)準(zhǔn)氫電極)以及低密度(0.534 g cm-3)等優(yōu)點,成為下一代高比能二次電池負(fù)極材料的最佳選擇。然而,鋰離子在負(fù)極表面的不規(guī)則沉積引發(fā)的不可控鋰枝晶的生長,造成了鋰金屬電池使用過程中的安全問題,進(jìn)而制約了鋰金屬電池的廣泛應(yīng)用。本論文通過新型固體電解質(zhì)的開發(fā)和電極-電解質(zhì)界面的構(gòu)筑,調(diào)節(jié)均勻鋰沉積,以抑制鋰枝晶不均勻生長。系統(tǒng)研究了鋰離子在固體電解質(zhì)中的輸運機(jī)理和改性界面對鋰沉積的作用機(jī)理,結(jié)合大量的實驗、計算等手段,表明通過新型固體電解質(zhì)的開發(fā)和電極-電解質(zhì)界面的構(gòu)筑都能極大程度上改善鋰金屬負(fù)極的穩(wěn)定性。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:1.通過界面接枝聚乙二醇(PEG)修飾具有有序納米孔的多孔A1203陶瓷膜,進(jìn)而與液態(tài)電解液復(fù)合制備得到一種復(fù)合型類固態(tài)電解質(zhì)(SLEs)。SLEs具有較高的室溫離子電導(dǎo)率、低界面阻抗、高機(jī)械模量和與鋰負(fù)極在室溫和高溫下均具有穩(wěn)定性。將該電解質(zhì)組裝在Li/Li4Ti5O12半電池體系中研究其長期循環(huán)性能,測試結(jié)果顯示電池充放電循環(huán)超過1000圈也無因鋰枝晶引起的短路發(fā)生。2.通過分子動力學(xué)模擬,對聚合物/氧化鋁復(fù)合電解質(zhì)特殊的兩相結(jié)構(gòu)中鋰離子的傳輸機(jī)制進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明,該兩相結(jié)構(gòu)一方面使鋰沉積均勻化,另一方面加快鋰離子在電極-電解質(zhì)界面處的傳輸。這種復(fù)合電解質(zhì)結(jié)構(gòu)有利于鋰金屬電池的負(fù)極穩(wěn)定性和循環(huán)性,可滿足下一代能源存儲系統(tǒng)尤其是先進(jìn)金屬電池技術(shù)。3.采用一步磁控濺射技術(shù)在聚丙烯隔膜表面制備Pt納米層進(jìn)而得到一種改性聚丙烯隔膜。Pt納米層具有良好的電子傳導(dǎo)能力,可以為鋰負(fù)極在反復(fù)充電/放電過程中提供可靠的鋰沉積位點。此外,Pt納米層結(jié)構(gòu)可以提高商業(yè)化聚丙烯隔膜的力學(xué)性能和改善其微觀結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)能實現(xiàn)枝晶的雙向生長,在反復(fù)循環(huán)過程中,受限生長的鋰枝晶和死鋰有效地填補了 Pt層和鋰負(fù)極之間的間隙,最終形成了光滑致密的新的鋰負(fù)極。對稱電池Li|PP@Pt|Li具有較低的過電位,得到的鋰負(fù)極平整光滑且對大電流密度有很好的相容性。同時,Li/LiFePO4半電池表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能,1 C下平均比容量為131 mAh g-1。該改性聚丙烯隔膜不僅保證電池使用中的循環(huán)穩(wěn)定性和實用性能,而且具有易于制作的優(yōu)點,這使得它很可能被應(yīng)用于先進(jìn)的金屬電池體系。
【圖文】：

逑１．１．２鋰金屬電池的結(jié)構(gòu)組成及工作原理逡逑圖１．１為鋰金屬電池的基本結(jié)構(gòu)，主要由正極、鋰金屬負(fù)極、隔膜、電解液、邐－逡逑電極殼組成。其中，與其相搭配的正極材料可以是金屬氧化物、氧氣、單質(zhì)硫、逡逑空氣等物質(zhì)。逡逑~栧義稀貉翦義賢跡保迸凼斤鶚艫緋亟峁故疽饌煎義希疲椋紓酰潁邋澹保卞澹櫻簦潁酰悖簦酰潁邋澹錚駑澹簦瑁邋澹悖錚椋睿簦穡邋澹歟椋簦瑁椋酰礤澹恚澹簦幔戾澹猓幔簦簦澹潁椋澹簀義顯詿�，，以近年来惦y芯咳鵲泔虻緋靨逑滴諾綣討�，发生灾q杭義仙系姆從Ψ直鷂哄義細(xì)杭海蹋殄逡誨澹蹋椋澹澹澹咤危ǎ保保╁義險海渝澹澹玻濉濉澹櫻玻危ǎ保玻╁義系緋刈芊從Γ海玻蹋殄澹澹渝濉澹蹋椋玻渝危ǎ保常╁義顯詵諾綣討�，负极上的锂靳橍失去道`櫻癰杭礱嬙殉觶ㄒ渤晌芙忮義顯諏蛘�，恁謱嵜到道`由桑櫻病�。与此同时，溶液中的Ｌｉ＋蠞}誘ㄒ�，辶x顯謖礱嬪剎蝗苡詰緗庵實牟錚蹋椋玻印３淶縭�，则发生甚r齜從Φ哪嫦蚍從�。辶x嫌繕鮮齜從Ψ匠淌嬌梢鑰闖觶鶚艫緋刂�，锂元素哉C浞諾綣討謝岱⑸繾渝義系檬б約跋嚶Φ募厶浠歡陲胱擁緋刂�，锂元素只以＋１价的Ｌｉ＋袉栣u嬖冢義顯誄浞諾綣討脅環(huán)⑸繾擁檬�。辶x巷鶚舾杭滌惺摯曬鄣睦礪郾熱萘浚ǖノ恢柿康牟牧夏芨齷蚪郵艿牡玨義獻(xiàn)郵�。以Ｌｉ和ＬｉＣ６为�

本文編號：2676813