碳布的修饰及其作为三维集流体的性能研究
随着科技的飞速进步，便携式电子设备、电动汽车等电力储存设备的需求不断上升。导致，锂离子电池已广泛应用于商业电子领域，但锂离子电池由于其自身的高活性以及无宿主性等因素影响导致锂离子电池在实际应用中仍然存在寿命短、容量低等问题。与传统石墨负极相比，低密度、高理论比容量的金属锂长期以来一直被认为是电池的理想负极，它不仅能够存储更多的能量，还能够为电子产品提供更长的使用时间。基于锂金属负极的新型电池受到广泛关注，虽然锂金属电池有很多优点，但将其应用至可充电电池体系中仍受到很多因素的限制，例如循环过程中枝晶的生长、固体电解质界面膜（Solidelectrolyteinterface/SEI）的破裂和电池的体积膨胀等问题会导致电池低库伦效率、循环寿命低等问题。大量科研工作者提出了许多解决方案例如人工SEI膜、隔膜修饰、固体电解质和引入保护层等。值得一提的是，人们目前将更多的注意力转移到了三维（3D）结构电极材料上。3D结构具有的高活性比表面积和三维立体结构可以缓解循环过程中的体积膨胀，且修饰后的3D结构具有大量的亲锂位点，可以促进锂离子快速传输、诱导锂金属成核和调控金属沉积行为，即使在高电流密度下也能实现更长时间的循环寿命。本实验中选取了质量轻且导电性好的3D材料碳布（CarbonCloth，CC）作为基底，虽然碳布的3D结构可以缓解锂金属在循环过程中的体积膨胀问题，但由于碳布较差的亲锂性，其直接组装的电池的性能并不理想。基于上述研究背景，本文主要的工作内容如下： 首先，以碳布作为3D集流体结构，通过搅拌和高温烧结的方法制备氧化铋修饰的碳布（Bi2O3@CC）。为了验证氧化铋的合成以及制备的负极材料的实用性，进行了材料分析以及电池循环性能的测试。发现修饰后的碳布既可以利用自身的三维立体结构储存锂，缓解循环过程中的体积膨胀问题；又可以利用氧化铋的亲锂性诱导锂金属的均匀沉积从而减少枝晶的生长。由Bi2O3@CC组成的半电池可以在电流密度为2mAcm-2的条件下循环超过2000圈并且循环过程具有极小的极化电压。同时，与磷酸铁锂进行全电池匹配时也展现优异的性能。此外，通过非原位扫描电镜观察锂金属的沉积和生长过程，可以看到该结构可以有效地抑制枝晶的生长、诱导锂金属均匀的沉积从而提高电池的性能。 （2）其次，以碳布为3D集流体结构，通过搅拌和高温烧结的方法制备磷化钴修饰的碳布（CoP@CC）。理论计算表明，Li+更容易吸附在CoP晶体表面，说明CoP降低了成核势垒。分布良好的CoP提供均匀的锂成核位点，将其应用至电流密度为1mAcm-2、容量1mAhcm-2的电池体系中，可以实现超过2000小时超长循环。对CoP@CC进行库伦效率测试，结果表明在循环1000圈后，其库伦效率依旧能保持在99%以上。CoP@CC不仅在半电池中具有长的循环寿命，将其应用在N/P(NegativetoPositiveCapacityRatio)比为1.7的全电池中，循环寿命也可以达到500小时，同时具有90%的容量保持率。
锂金属电池;三维集流体;枝晶;库伦效率
吉林大学
硕士
凝聚态物理
张冬
2023
中文
TM912.9
2023-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）