金属有机膦框架玻璃修饰铜集流体的设计及其钠金属电镀/剥离行为研究
随着便携式电子设备和电动汽车的发展迫切需要高能量密度的可充电池，碱金属电池受到了极大地关注。钠金属具有理论容量高(1166mAh g-1)、氧化还原电势低(-2.714V)、储量丰富且成本低，成为下一代能量储存系统最理想的负极材料。然而，钠金属负极高的反应活性，容易与电解液发生反应，形成不稳定的固态电解质(SEI)层。此外，在不均匀的钠电镀/剥离过程中会生成钠枝晶，导致无限的体积膨胀、容量衰减等问题，还可能刺破隔膜，造成内部短路，产生安全隐患。钠枝晶生长一直是钠金属负极面临的最大挑战，极大地阻碍了钠金属电池的商业化发展。 本文使用金属有机膦框架(MOPFs)玻璃作为保护层，对商业化的铜集流体进行改性，来调控钠金属沉积行为，有效地提升了钠金属负极的稳定性。首先，以1，2-双（二苯基膦）乙烷(DPPE)和氯化钴作为原料，通过配位反应制备了MOPFs。MOPFs呈结晶的多边形棒状结构，Co原子与4个P原子进行配位。然后，将MOPFs涂敷于铜集流体表面，通过熔融淬火处理的方法成功制备了MOPFs玻璃改性铜箔电极。MOPFs玻璃呈无定形结构，继承了MOPFs的配位模式，在铜箔表面形成均匀的涂层。最后，改性铜箔电极能够降低钠成核过电势，改善钠在集流体上的沉积/剥离行为，抑制钠枝晶生长，显示出良好的电化学性能。在电流密度为1.0mA cm-2、容量为1.0mA h cm-2的充放电条件下，钠金属半电池以～99.5％的库伦效率稳定的循环700次以上;在2.0～5.0mA h cm-2的面容量、100％的剥离深度下，钠金属对称电池都能稳定循环2000h以上;与磷酸钒钠正极匹配组装成全电池，展现出优异的倍率性能和长循环稳定性。此外，还对改性铜箔电极循环后的表面结构进行表征，探索MOPFs玻璃层对集流体的保护机理。 本工作为制备高能量密度的可充电电池提供了新的思路，进一步推动了能源储存与转化领域的发展。
钠金属负极;铜集流体;金属有机膦框架玻璃;改性处理;钠金属沉积行为;稳定性能
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
周继升
2021
中文
TM241
2021-09-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）