可充金属锂电池电极材料制备及电化学性能的研究

作     者：钟宜成 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：施志聪

授予年度：2020年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：金属锂电池 金属锂 人工界面膜 海藻酸锂 嵌段聚合物 

摘      要：在化石能源紧缺、环境污染加剧的今天,金属锂电池以其高能量密度的突出优势成为人们研究的热点。然而,金属锂电池的负极与液态电解液中间存在复杂的副反应,导致锂离子流在金属锂负极上的不均匀沉积/剥离和锂枝晶的不可控生长,从而造成了库伦效率低、安全隐患大和放电比容量低等问题。金属锂负极在与电解质接触后会产生固态电解液界面(SEI)膜,但这一SEI膜存在着成分不均匀、机械强度低的缺陷,导致其在循环过程中出现连续不断地破裂/再生而变得不稳定。面对自然形成的SEI膜的缺陷,本论文分别构筑了两种人工SEI膜来解决金属锂负极面临的问题。第一种,需先将海藻酸和Li OH?HO在二甲基亚砜溶剂中反应合成出海藻酸锂,然后将海藻酸和海藻酸锂的混合液采用刮涂法凃在空白的金属锂负极上并真空干燥而制备海藻酸锂基人工SEI膜保护的金属锂负极。海藻酸锂基人工SEI膜具有易于传导锂离子、化学稳定又能物理上抑制锂枝晶生长的特性。海藻酸锂基人工SEI膜保护的金属锂负极组成的Li||Li对称电池在0.5、1和3 m A cm的电流密度下沉积/剥离1 m Ah cm的锂时,分别在850、350和120 h内相比于空白的金属锂负极组成的对称电池展现出更稳定、更小幅度的电压波动,并且最终的循环寿命也得到显著延长。当它与Li Fe PO组成全电池在0.6和4 C的倍率下,分别循环500和1000圈后,表现出高达99.7%和99.6%的平均库伦效率以及62.4%和94%的容量保持率。第二种,需先将空白的金属锂放入溶有聚醚P123的碳酸二甲酯(DMC)溶液中发生化学反应后,再将金属锂负极取出静置以蒸发DMC,从而在金属锂负极表面上均匀地形成一层由聚醚P123、LiCO和RO–COLi构成的人工SEI膜。聚醚P123含有的氧化乙烯(EO)和氧化丙烯(PO)基团与锂离子有络合作用而能调控锂离子流更均匀地沉积,LiCO和RO–COLi混合物具有传导锂离子和减弱金属锂负极与电解液副反应的作用。聚醚P123基人工SEI膜保护的金属锂负极组成的Li||Li对称电池在1和3 m A cm的电流密度下,沉积/剥离1 m Ah cm的锂时,分别循环至260和68 h内相比于空白的金属锂负极组成的对称电池均展现了更稳定的电压波动和更小的锂形核/剥离过电位。当它与Li Fe PO组成全电池在1和4 C的充放电倍率下,分别循环500和1000次后,平均库伦效率分别为98.96%和98.87%,容量保持率分别为64.46%和91.50%。总之,本论文采用的方案制备的金属锂负极相比于空白的金属锂负极都有效地提升了电化学性能。此外,还因为具有制备工艺简单和对环境友好等特点而有望在未来应用于大规模地制造高能量密度和长寿命的可充金属锂电池。