复合保护层对金属锂负极的改性研究

作     者：侯旺 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵强

授予年度：2021年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：金属锂负极 复合保护层 抑制锂枝晶 循环稳定性 界面稳定性 

摘      要：锂金属凭借超高的理论比容量(3861 m Ah/g)以及超低的氧化还原电位(-3.040V vs氢标),成为最理想的负极材料。然而金属锂负极的枝晶问题阻碍着锂金属电池的发展。本论文通过在锂负极表面涂覆复合保护层,利用保护层优异的电化学稳定性与机械性能抑制锂枝晶的形成与生长,改善金属锂负极/电解液的界面,从而提高锂电池的循环稳定性与安全性能。1、在锂负极表面构建PVDF/TiO复合保护层,通过TiO优异的安全性与稳定性提高锂负极界面稳定性,并通过其亲锂性诱导锂的均匀沉积。具有该保护层的Li|Li对电池能够在1 m A cm,3 m A cm,8 m A cm的电流密度下均表现出更优异的循环稳定性。同时Li-Cu半电池在涂覆了该保护层后能够稳定循环150圈并保持95%的CE。在Li|LFP全电池中,经过表面处理后的锂负极同样优化了电池性能。2、设计制备了PVDF/ZnO复合保护层,ZnO作为亲锂物质可以为锂离子提供形核位点,能够实现金属锂的稳定沉积。利用PVDF/ZnO复合保护层的机械性能有效抑制锂枝晶生长。两者协同作用实现了Li|Li对电池的长稳定循环,并在CE上有显著的提升。在Li|LFP全电池的实际应用上,无论是长循环稳定性的提升以及倍率性能的提升,均有显著的积极作用。3、通过简单的旋涂方法在Li金属表面制备出具有优异离子电导率,离子迁移数以及机械性能的PVDF/LiAlO复合保护层。该保护层具有快速传导Li离子的能力,能够诱导Li离子均匀沉积,改善枝晶生长问题。此外,该保护层致密且均匀,能够隔离锂金属与电解质,缓解电解质和活性金属锂的持续消耗与不良反应发生。由此实现了锂负极的超长循环寿命(Li|Li对电池在1 m A cm的电流密度下循环超过1600 h)与Li|LFP电池的高容量保持率(在1 C下循环700次后容量保持率为91.5%),并在倍率性能与CE上表现出了稳定的提升。