高能鋰離子電池電極跨尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備及其性能研究.pdf

1、高能量密度能源存儲(chǔ)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)新能源變革和交通工具電氣化的技術(shù)基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的能源儲(chǔ)存系統(tǒng)鋰離子電池由于低的比容量以及比能量，已經(jīng)難以滿足未來(lái)對(duì)能源的強(qiáng)烈需求。因此，提升電池能量密度是未來(lái)發(fā)展的重要方向。基于鋰離子電池的工作原理和結(jié)構(gòu)組成，鋰電池能量密度提升的兩條途徑在于:1.采用高比能量的電極材料，如高能鋰金屬負(fù)極;2.增加電極活性物質(zhì)在集流體上的載量和厚度，降低非活性物質(zhì)在電極中的含量。然而，高比能鋰金屬電極材料在電化學(xué)儲(chǔ)能過(guò)程中由不穩(wěn)定

2、的脆性固體電解質(zhì)相界膜引起的枝晶生長(zhǎng)和巨大體積變化嚴(yán)重影響電極的循環(huán)性能和安全性能;高活性載量、超厚電極中由于鋰離子的擴(kuò)散傳導(dǎo)動(dòng)力學(xué)限制導(dǎo)致的活性物質(zhì)無(wú)法充分利用以及倍率性能差，這些都嚴(yán)重限制了其實(shí)際應(yīng)用。近幾年的研究表明，電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是改善電極的電化學(xué)性能有效方法。如何通過(guò)合理的跨尺度電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而針對(duì)性解決高能鋰金屬以及高載量電極中的問(wèn)題提升電池能量密度面臨著重要挑戰(zhàn)。
　　本論文旨在通過(guò)電極跨尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高能鋰金屬

3、以及高載量電極的制備和應(yīng)用，提高電極的能量密度。首先綜述了鋰金屬電池和高載量電極研究進(jìn)展，闡述了其中存在的主要問(wèn)題以及當(dāng)前主要解決策略。在研究理論基礎(chǔ)上，提出合理的跨尺度電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，發(fā)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一系列方法，探索結(jié)構(gòu)對(duì)性能的作用機(jī)制，解決鋰金屬電極以及高載量電極中的科學(xué)問(wèn)題，從而提升電池比能量。取得主要研究結(jié)果如下:
　　1.發(fā)展了一種制備自支撐銅納米線網(wǎng)絡(luò)的方法。利用銅納米線自蒸發(fā)組裝以及后續(xù)的氫氬混合氣還原制備具有柔韌性的自

4、支撐薄膜，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅箔集流體實(shí)現(xiàn)了鋰離子流在負(fù)極的均勻分布，使得鋰金屬沉積有效地發(fā)生在銅納米線表面，并被限制在三維網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部孔道中，顯著提升了鋰金屬負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性。這種納米結(jié)構(gòu)集流體設(shè)計(jì)為高效抑制鋰枝晶生長(zhǎng)提供了一個(gè)新思路。
　　2.在制備的銅納米線網(wǎng)絡(luò)集流體的基礎(chǔ)上，通過(guò)電沉積在銅納米線表面沉積金屬鎳制備出“親鋰性”的Cu@Ni三維框架，然后利用熱熔灌鋰法成功制備出Li-Cu@Ni復(fù)合鋰金屬電極。由于具有高導(dǎo)電率的三維Cu@

5、Ni納米線框架，在循環(huán)過(guò)程中可以引導(dǎo)鋰金屬在網(wǎng)絡(luò)中的沉積與脫出，抑制鋰枝晶的形成和生長(zhǎng)。同時(shí)由于三維Cu@Ni納米線網(wǎng)絡(luò)框架高的機(jī)械與化學(xué)穩(wěn)定性，可以保證電極在循環(huán)過(guò)程中極小的體積變化，保持電極整體的穩(wěn)定性。
　　3.受到天然木材中垂直的微通道作為水運(yùn)輸通路的啟發(fā)，通過(guò)溶膠-凝膠法將木材的微結(jié)構(gòu)復(fù)制到高載量的鈷酸鋰正極中，實(shí)現(xiàn)了高的面積容量和優(yōu)良的倍率能力。通過(guò)X-射線三維成像技術(shù)表征和理論計(jì)算，其曲折率比隨機(jī)結(jié)構(gòu)的低1.5倍，從