【摘 要】
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相比于传统锂离子电池负极材料,金属锂具有更高的理论比容量(3860mAh/g),低的电极电位(3.04 V vs标准氢电极)。因此,金属锂负极一直被人们视为高容量储能体系的最终解决方案。然而金属锂负在实际使用过程中面临着许多的挑战。例如,由于锂离子在金属锂表面扩散能力低等原因,沉积过程中容易产生锂枝晶,容易引起电池内短路;并且随着循环的进行,固态电解质膜(solid electrolyte int
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相比于传统锂离子电池负极材料,金属锂具有更高的理论比容量(3860mAh/g),低的电极电位(3.04 V vs标准氢电极)。因此,金属锂负极一直被人们视为高容量储能体系的最终解决方案。然而金属锂负在实际使用过程中面临着许多的挑战。例如,由于锂离子在金属锂表面扩散能力低等原因,沉积过程中容易产生锂枝晶,容易引起电池内短路;并且随着循环的进行,固态电解质膜(solid electrolyte interface,SEI)膜重复的破碎与形成,消耗电解液,导致容量衰减。因而发展有效的金属锂负极保护技术,抑制锂枝晶的生长和稳定界面是十分必要的。本论文拟通过设计简单的工艺流程,在负极集流体表面预置了人造的SEI膜,并通过电沉积的方法获得预置SEI膜保护的金属锂负极。实验设计了制备预置固体电解质膜的方法。依次通过集流体预处理、涂膜液制备、涂膜固化、组装电池以及金属锂的电沉积等步骤,成功地制备了固态电解质膜以及预置固态电解质膜金属锂负极。制备了以MOF(UIO-66)、聚多巴胺(polydopamine,PDA)、LiF、双三氟甲烷磺酰亚胺锂(lithiumbis(trifluoromethanesulphonyl)imide,LiTFSi)、LiTFSi、nano-Al2O3、以及LiF+LiTFSi+nano-Al2O3(ALL)为添加剂的复合膜。其中,以ALL作为添加剂的固态电解质膜在半电池下表现出了最优异的电化学循环稳定性能。前230圈,容量保持率达到98%以上。通过正交实验,优化了ALL的添加量。在0.5 mA/cm2和1 mA h/cm2的循环条件下,基于ALL最佳添加量的固态电解质膜在Li-ALL/Cu半电池中,表现出了前280次循环的长循环,其库仑效率保持在99%左右。制备了预置固态电解质金属锂负极(ALL/Li/Cu),将其与LFP,S正极材料组装ALL/Li/Cu-LFP,ALL/Li/Cu-S全电池,其中ALL/Li/Cu-LFP全电池在1 C电流密度下,经过100次循环后仍显示出良好的循环稳定性(库仑效率约为98%)和良好的容量保持率(90%),并且相对于Li-LFP对照组,具有更小的极化性能。通过SEM、XRD、XPS等测试方法对ALL以及ALL/Li/Cu进行研究分析。SEM观察到沉积的金属锂表面具有更平整的金属锂形貌;XRD测试结果表明固态电解质膜在循环前后具有优异的稳定性;XPS结果表明ALL在一定程度上隔绝了电解液与金属锂的接触,从而抑制其间的副反应。通过这些测试结果可以得出实验所制得的固态电解质膜对抑制金属锂表面枝晶具有一定的功效。
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