无定形碳负极的混合储锂研究
锂金属负极（LMA）具有高的理论比容量（3860mAhg–1）和最低的电势（–3.04Vvs.标准氢电极），然而LMA存在的不可逆的副反应、不受控制的枝晶生长和大的体积变化等问题阻碍了其商业应用。虽然基于碳材料的3D集流体、界面工程能够提高LMA的稳定性，但是较低的库伦效率（CE）仍然限制了其产业化。目前基于石墨的嵌入和锂金属沉积的混合负极被广泛研究，而金属锂在石墨表面沉积时仍然不可避免地与电解质发生副反应，导致CE下降，枝晶生长等问题。因此本文提出使用硬碳（HC）中的亚纳米孔储存准金属态锂（QM-Li）的策略来减少锂和电解液的直接接触，在嵌入容量的基础上增加QM-Li构成HC/QM-Li混合负极可以提高HC的能量密度，同时QM-Li可以稳定的存储在亚纳米孔中，使得HC/QM-Li混合负极能够稳定循环。主要研究内容和结果如下所示： （1）我们首先以木炭和无烟煤作为前驱体，通过1000℃和1200℃高温裂解制备HC材料，然后通过表征手段比较了HC材料内部结构的差异，并通过进一步的电化学测试发现，无烟煤基HC（AHC）产碳率高，杂质少，无定形结构稳定，可以保持216.8mAhg–1的平均比容量，而木炭基HC（CHC）由于内部的缺陷较多，含有更多杂质，因此结构不稳定，容量较低。在进一步探索HC过放性能的循环测试中，AHC能够在比容量500mAhg–1下保持超过100圈的较高的稳定CE。 （2）我们利用亚纳米孔的限域效应将QM-Li封装在商业HC中，与AG/Li传统混合负极相比，HC/QM-Li混合负极的循环稳定性大幅提高。首先通过结构表征比较了AG和HC的结构差异，发现HC特有的亚纳米孔为QM-Li的储存提供较大的孔容，有效阻止电解液与QM-Li的接触，避免发生副反应。在电化学测试中，HC/QM-Li混合负极在酯类电解液的半电池中可以稳定循环250圈，实现99.7%的极高的CE。当与LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）正极结合组装成全电池进行测试时，HC/QM-Li||NCM811可以在200圈循环后容量保持率仍高于80%。亚纳米孔结构的限制效应为LMA的商业化应用提供了新思路。
准金属态锂;亚纳米孔;限域效应;混合负极;锂金属负极
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
李念武
2022
中文
O646.54
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）