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构建三维亲锂骨架用于金属锂负极的研究

构建三维亲锂骨架用于金属锂负极的研究

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作者：廖加林哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着传统能源的无节制滥用和开采,能源危机和环境问题日益突出,亟需开发高性能的新型能源存储和转换器件技术。在诸多的储能技术中,锂二次电池因具有高能量密度、长循环寿命、高输出电压、低自放电及无记忆效应等优势在储能系统中脱颖... 详细信息

随着传统能源的无节制滥用和开采,能源危机和环境问题日益突出,亟需开发高性能的新型能源存储和转换器件技术。在诸多的储能技术中,锂二次电池因具有高能量密度、长循环寿命、高输出电压、低自放电及无记忆效应等优势在储能系统中脱颖而出。另一方面,电动汽车产业和高精尖便携式电子设备的飞跃发展,进一步提出了对高能量密度锂电池的迫切需求。金属锂负极因具有较高的质量比容量(3860 mAh g),以及较低的电化学还原电势(-3.04 V ***),被认为是最具潜力的负极材料之一。此外,匹配不同的高容量正极(如硫、氧气等)的锂金属电池表现出较高的能量密度,这将成为下一代高性能电池的广泛研究对象。然而,金属锂负极的实际应用仍受到一些严重问题的限制。主要是锂枝晶生长、电解液与锂的不可逆副反应所形成的不稳定SEI界面层以及循环过程中的相对无限体积变化,造成低库伦效率、短寿命以及安全问题。金属基的三维载体材料(3d载体)已被证明是一种有效的调控锂沉积的策略,但其自身的憎锂性和对液态锂的润湿性较差。本文立足于构建亲锂的3d载体以稳定锂负极,主要研究了不同的亲锂材料修饰的3d金属基载体。具体研究内容如下:(1)通过溶剂热-退火的方法合成了具有纳米花形貌的Zn O颗粒,均匀的负载于3d泡沫铜(Cu F)表面上。在随后熔融锂热注入的过程中,表现出较好的亲锂性,成功制备了复合锂负极(Cu F/LiO-Li Zn@Li电极,记为CLZL电极)。所制备的CLZL电极得益于3d结构可限制体积变化,亲锂的Zn O位点可调控锂的均匀沉积等优势,表现出较高的库伦效率和较低的锂沉积形核过电势。在电流密度为1 mA cm,容量为1 mAh cm下,能稳定循环1600 h且具有15 m V较低的极化电压。(2)基于简易的电化学镀工艺制备了Ag纳米颗粒层修饰的3d多孔铜(PC)的复合材料。采用熔融锂热注入工艺,实现了熔融锂在短短数秒内(时间为5s)就铺展润湿于载体中,获得复合锂负极(Ag@PC@Li电极,记为APCL电极)。因Ag纳米颗粒层的均匀分布,锂沉积表现出几乎接近于零的形核过电势来引导锂离子优先沉积;此外,基于该电极组装的对称电池在较大电流密度3 m A cm,面容量为1 mAh cm下,实现了1500周期的超长稳定循环。

关键词：金属锂负极亲锂3d载体泡沫铜纳米花ZnO Ag纳米颗粒

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