锂金属表面改性及其与Li10GeP2S12界面稳定研究

作     者：李梦琪 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何豪;姚霞银

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：射频磁控溅射 锂金属负极 硫化物电解质 界面改善 全固态锂金属电池 

摘      要：目前,商业化锂离子电池采用有机电解液和石墨负极,存在自燃、漏液等潜在的安全隐患,且能量密度难以进一步提升。全固态电池采用固体电解质替代传统锂离子电池中的有机电解液,解决了电解液易燃、易挥发和泄露等问题,提高了电池的安全性。同时可引入金属锂为负极,金属锂具有理论比容量高(3860 m Ah g)、相对于标准氢电极电位极低(-3.04 V)的优势,可有效提高锂电池的工作电压和能量密度,是实现高能量密度锂电池的极佳选择。LiGe PS硫化物固体电解质具有与有机电解液相当的高离子电导率,良好的机械强度,是最具有潜力的固体电解质之一。然而,由于锂金属高的反应活性,在与LiGe PS电解质接触时会自发的发生反应,形成不稳定的固体电解质界面层,导致电池快速衰减而失效。为了改善锂金属与LiGe PS电解质的界面稳定性,提升全固态电池的循环和倍率性能,本文通过锂金属表面改性,降低锂金属与LiGe PS电解质的反应活性,抑制界面副反应,引导锂离子的均匀沉积从而提高全固态锂电池的电化学性能。具体工作如下:(1)通过射频磁控溅射的方法在锂金属表面溅射一层Ag薄膜,制备Li@Ag合金负极。Ag在金属中具有最高的电导率和最低的接触电阻,且Ag属于亲锂性材料,可在锂金属表面原位形成具有极低电化学电位的Li-Ag合金,进而降低了金属锂的成核能,引导锂离子在循环过程中均匀的沉积和剥离。从而抑制锂枝晶的形成,改善电极/电解质界面接触,提高全固态锂金属电池的电化学性能。实验结果表明,溅射厚度1μm Ag层的锂金属负极表现出最优的电化学性能。其组装的Li@Ag 1μm/LiGe PS/Li@Ag 1μm对称电池在0.1 m A cm的电流密度,1 m Ah cm的面电流容量下,可稳定循环1000 h,循环后的过电压仅有160 m V;Li@Ag 1μm/LiGe PS/LiCoO全固态电池,稳定循环100圈后可逆容量为106.5 m Ah g,容量保持率为83.9%。(2)通过射频磁控溅射技术,在锂金属表面成功溅射一层Mg保护层,可以明显降低锂金属的反应活性,减少界面副反应的发生。此外,在循环过程中自发形成的Li-Mg合金具有高离子扩散系数,可以从电化学动力学的角度,调节锂的沉积速率,实现锂的均匀沉积,极大程度的抑制锂枝晶的产生,避免了死锂的形成。实验结果表明,溅射厚度700 nm Mg层的锂金属负极表现出最优的电化学性能。其组装的Li@Mg 700 nm/LiGe PS/Li@Mg 700 nm对称电池在0.1 m A cm的电流密度,0.5 m Ah cm的面电流容量下,循环1000 h后过电压稳定在400 m V;Li@Mg 700 nm/LiGe PS/Li Co O全固态电池在循环100圈之后可逆容量为111.2 m Ah g,容量保持率为87%。