三维多孔集流体金属锂负极的制备及其电化学性能研究

作     者：张睿 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：师春生;张海昌

授予年度：2018年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：金属锂二次电池 金属锂负极 三维集流体 氮掺杂 石墨烯 

摘      要：金属锂具有低的密度,低的化学电位和高能量密度(3860 mAh g)等优点,是实现高能量密度二次电池的最理想的负极材料,然而,在循环过程中,金属锂负极体积变化大,易发生无法控制的枝晶生长,导致金属锂负极容量的衰减和造成安全隐患。三维集流体具有较大的比表面积,因此其局部电流密度较小,从而可以有效地抑制枝晶的生长,较好地提高锂负极的循环性能。因此,具有高比表面积的石墨烯、改性石墨、碳纤维、多孔铜和泡沫镍等集流体被用于存储金属锂。目前,三维集流体仍然存在一些缺点阻碍其实际应用。一方面,由于在三维集流体骨架内表面缺少改性处理,所以微观尺度下的金属锂沉积并不是很均匀。另一方面,由于锂离子从三维集流体表面扩散到底部的速度较慢,Li会优先沉积在集流体表层。上述问题都会导致金属锂在集流体内部不均匀沉积,从而会降低集流体内部空间的利用率并导致较差的循环性能。因此,本文利用纳米多孔金属制备了氮掺杂石墨烯改性多孔铜集流体(3DCu@NG)和具有均匀且连续多孔结构的三维管道状石墨烯(3D-DG)集流体,以此实现金属锂在三维集流体内的均匀沉积。研究表明,石墨烯可以促进电子在集流体表面均匀分布,且氮掺杂石墨烯与电解液中的Li具有较强的作用力,使得Li能在集流体孔道表面均匀分布;均匀分布的电子和Li使得金属锂在集流体内部实现均匀沉积;因此,Li-3DCu@NG复合金属锂负极具有高的面积容量(4.0 mAh cm)和低的电压迟滞(≈19 mV)。此外,管道状结构有利于锂离子在三维集流体内部快速传输,促进金属锂在集流体内部各个位置实现均匀沉积;三维集流体具有较高的比表面积,可以有效地延缓锂枝晶的生长;集流体的多孔结构可提供足够的空间存储锂金属,从而缓解充放电过程中的体积变化;因此,Li@3D-DG复合金属锂负极具有高的面积容量(10mAh cm),高的库伦效率(≈99%),低的电压迟滞(≈24 mV)和超长的循环寿命(可循环1000小时以上)。