基于富锂合金的锂二次电池复合负极的研究.pdfVIP

基于富锂合金的锂二次电池复合负极的研究.pdf

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摘要

作为理想的负极材料之一,金属锂因其极高的理论比容量(3860mAh·g−1)

和最低的氧化还原电位(与标准氢电极相比为-3.04V)而备受瞩目。然而,金属

锂负极在实际应用中仍然面临许多挑战。首先,金属锂负极的“无宿主”性质使其

在沉积过程中难以维持紧密的形态,导致电极在电化学循环中出现明显的体积变

化。其次,由于金属锂的反应活性较高,容易与电解液发生反应,导致在负极表

面形成质地不均匀的固态电解质界面(SolidElectrolyteInterphase,SEI),进而产

生不均匀的活性位点,使得锂离子的通量不再均匀。此外,在电化学循环过程中

随着电解液的持续消耗,其比容量迅速下降。为了应对这些问题,对金属锂负极

进行改性已成为迫切需求。本论文主要从金属锂复合负极的三维(Three-

dimensional,3D)结构设计和电极/电解液界面改性两个方面入手,致力于改善电

极界面处不可控的副反应和调控锂离子的输运,并缓解电极的体积膨胀,从而提

升金属锂负极的性能。具体内容包括下面两个方面:

(1)通过将双相富锂Li-Cu合金和ZnO进行简单的一步热处理,构建3D复

合金属锂负极。利用自发生成的Li2O无机层作为金属锂负极的保护层,抑制电极

界面处发生不可控的副反应,从而构建稳定的锂离子传输界面层。而Li、Cu和

Zn结合形成Li-Cu-Zn三元合金,其同时兼具Li-Cu合金的骨架结构稳定性和Li-

Zn合金的亲锂性。稳定的骨架作为提高复合金属锂负极电化学循环性能的基础,

而亲锂性的骨架提供了丰富的锂成核位点,有效诱导锂的均匀沉积。故而得到的

三元合金复合负极呈现现出了优异的电化学性能。

(2)采用二元/三元合金作为金属锂的支撑骨架,但发现这种骨架结构在经过

多周循环后仍然逐渐坍塌,导致失去原有的优势。因此,在富锂Li-Zn合金内部引

入惰性的AlO颗粒作为3D框架,抑制充放电过程中负极的体积变化,再利用高

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导电性和亲锂的LiZn金属间化合物骨架作为次级骨架,两者相互协同提升电池电

化学性能。在350℃的温度下,熔融态的金属锂与Al2O3纳米颗粒发生反应,锂原

子嵌入到纳米Al2O3颗粒的表层里,生成的Li-Al-O化合物层不仅具有离子导电特

性,而且其亲锂性远超铜箔。在电化学循环过程中,锂离子得以顺利输送至电极内

部进行沉积,避免了金属锂在电极表面的无序堆积,有效缓解了电极体积膨胀,并

抑制了锂枝晶的生长。

关键词:富锂合金,3D框架,金属锂负极,复合金属锂负极

ABSTRACT

Asoneoftheidealanodematerials,lithium(Li)metalboastsanextremelyhigh

theoreticalspecificcapacity(3860mAh·g−1)andthelowestredoxpotential(-3.04Vvs.

thestandardhydrogenelectrode).However,Limetalanodestillfacesnumerousissues

towardsthepracticalapplication.Firstly,the“hostless”natureoftheLimetalleadstoan

inabilitytorestoretheinitialmorphologyintheprocessofthedeposition,causinga

significantvolumefluctuationoftheelectrodesduringcycling.Secondly,owingtoits

highreactivity,Limetalispronetoreactwiththeelectrolyte,resultingintheformation

ofunevensolidelectrolyteinterface

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