固态锂电池用金属锂负极的改性研究

作     者：陈昱锜 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何泓材

授予年度：2020年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：金属锂负极 改性 保护层 金属锂固态电池 

摘      要：金属锂负极是理想的高能量密度负极材料,其比容量高达石墨负极的十倍,但是,锂枝晶的生长、锂负极与电解液产生的副反应以及充放电中较大的体积变化等问题严重影响了其循环稳定性能和安全性能,阻碍了锂负极的应用。通过包覆改性的方法在锂负极表面形成保护层,可以阻止锂负极与电解液接触,同时均匀表面电荷、抑制锂枝晶的产生。本文对金属锂进行表面改性,制备了PVDF-LLZTO/Li负极和CHCOOLi-Li负极,并对其电化学性能进行测试,基于此,本文继续探究了金属锂在固态电池中的应用,制备了PVDF-LLZTO基金属锂固态电池并对其性能进行了测试探究。本论文主要做了如下工作:(1)采用非原位刮涂的方法制备PVDF-LLZTO/Li负极,组装锂对称电池、钴酸锂全电池进行测试。研究发现相比于pure Li负极,PVDF-LLZTO/Li负极极化电压更小,有更好的循环稳定性能,其锂对称电池在1 mA/cm电流密度下能够稳定循环400 h。同时对复合电解质膜物质比例进行优化,在钴酸锂全电池中,LLZTO含量为PVDF含量的20%、LiTFSI含量为PVDF含量的100%时,PVDF-LLZTO/Li负极有最好的循环性能,其电池在循环400圈后放电比容量为73 mA·h/g。(2)采用原位反应的方法制备CHCOOLi-Li负极,组装锂对称电池、锂铜电池、钴酸锂全电池进行测试。研究发现,所制备的CHCOOLi-Li负极组装的对锂电池相比于pure Li负极有显著改善的循环性能,在1 mA/cm的电流密度下循环400 h其极化电压几乎不变。同时探究了不同原位反应时间对CHCOOLi-Li负极的影响,结果表明,反应时间长对锂负极有不利影响,反应时间为1 min得到的醋酸锂钝化膜有最好的电化学性能。原位反应时间为1 min的CHCOOLi-Li负极组装的锂铜电池能稳定循环100圈以上,库伦效率保持在97%,而用其组装钴酸锂全电池循环1000圈时放电比容量为95 mA?h/g,容量保持率仍有74%。(3)组装基于PVDF-LLZTO-LiTFSI复合电解质膜的固态电池,用醋酸对金属锂进行改性后固态电池性能得到提升,循环200圈时放电比容量为90 mA?h/g,其容量保持率仍有65%。同时基于复合电解质膜制备了金属锂固态软包电池,其电解质越薄固态电池性能越好,当复合电解质膜厚度为26μm时电池性能最好,电池循环50圈后放电比容量仍有120 mA·h/g,其容量保持率为82%。