无锂负极电池铜集流体改性研究

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无锂负极电池因其相比于目前传统的锂离子电池可以大幅度提高能量密度,充分发挥锂金属高比容量的优势而引起了众多研究者的兴趣。在无锂负极电池中,所有的活性锂最初都储存在正极材料中,在初始的充电过程中,活性锂从正极提取至负极,并直接原位电镀在裸集流体上。尽管在无锂负极电池中没有过量的锂存在,全部活性锂都来自于正极材料,但仍然面临许多挑战。其中锂的不均匀沉积会加速锂枝晶的形成与生长过程,降低活性锂的利用率;固态电解质界面膜(SEI)在反复形成的过程中会加速电解液与活性锂的消耗,进而使得电池寿命衰减。针对这些问题,对无锂负极电池负极界面提出有效的改性策略是至关重要的。针对以上问题,本文分别从负极集流体结构改性和添加人工界面层两方面开展改性研究工作,通过两种不同的界面改性手段对无锂负极电池集流体进行改性,提高负极界面稳定性。对负极集流体结构改性方面:构筑三维多孔集流体,采用电沉积的方法制备一种单侧的蜂窝状多孔铜集流体,用以减轻锂沉积/溶解过程中的体积变化,提高局部电流分布的均匀性,从而使得负极界面稳定性进一步提高。通过调控电沉积处理时的条件,在铜箔表面获得微观形状完全不同的结构。当控制电沉积处理条件,制备得到的蜂窝状多孔铜结构的电化学性能最好,组装的Li|Cu电池在电池循环电流密度为0.25m A/cm-2时的循环库伦效率由62.6%提升至90.7%。扫描电子显微镜测试结果表明蜂窝状的多孔铜可以有效均匀锂的沉积溶解过程,并在循环后保持其初始结构。蜂窝状多孔铜的三维多孔结构为锂的沉积贡献了更大的空间,抑制锂在沉积/溶解过程中的体积变化,提高了其作为负极的循环稳定性和搁置稳定性。对添加人工界面层改性方面:分别采用化学包覆法和离子溅射法添加氧化石墨烯和金作为人工界面层。通过对电池循环前后电极表面的形貌、阻抗、表面膜有机成分组成的表征和分析,研究界面膜作用机制。研究结果表明氧化石墨烯和金人工界面层可以降低电极与电解液的反应活性,从而提高SEI膜稳定性,降低界面膜阻抗,进一步提高负极界面稳定性。
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