鋰基儲能體系具有高能量密度、高功率密度的優(yōu)點,是當前的研究熱點。表界面改性技術可以進一步優(yōu)化鋰基電極的倍率、壽命、安全等。首先,本文以表界面形核原理為基礎,將界面的形核熱力學應用于鋰金屬電極的負極保護領域,深入探索了新型鋰負極保護路線;其次,結合半導體電化學理論建立了新的模型,探討了鋰基電池中襯底/活性物質/電解液界面處電子、離子轉移傳輸過程中的熱力學及動力學問題;最后,基于該模型,用PECVD(等離子體化學氣相沉積)技術設計了兩種界面優(yōu)化方案,提高了鋰基電極的電化學性能。主要研究內容及結果如下:(1)從形核熱力學角度出發(fā),提出了鋰枝晶的薄膜生長模型,探索了抑制枝晶的新方案。在充放電過程中,部分電能轉化為表面能使鋰金屬表面逐漸粗糙化:在電場作用下,鋰基負極表面聚集大量的負電荷,基底表面能發(fā)生了偏移(沉積物質與基底的表面能發(fā)生差負向偏移),形成島狀生長的鋰金屬沉積。(2)基于薄膜生長的同質形核理論,利用銅網對鋰金屬表面進行修飾,獲得了具有較低極化電壓的金屬鋰負極,且其倍率性和循環(huán)穩(wěn)定性都優(yōu)于本征電極。SEM(掃描電子顯微分析)表明修飾的鋰金屬表面循環(huán)后沒有出現(xiàn)明顯枝晶,且其表面SEI膜(固體電解質界面膜)呈現(xiàn)出類似于拉鏈狀縫合破裂的現(xiàn)象,這主要是因為應力的選擇性釋放有效的保護了主體SEI膜,獲得了穩(wěn)定的表面形貌,提高了鋰金屬負極的循環(huán)穩(wěn)定性。(3)以半導體電化學理論為基礎,提出了適應于鋰離子電池的界面模型。利用能帶理論解釋了襯底/活性物質/電解液界面的離子電子傳輸行為,并且指出在襯底電子轉移熱力學和離子傳輸動力學的共同影響下,反應界面出現(xiàn)的能帶彎曲所處的能級是界面處的化學行為的驅動力的關鍵。根據該模型擬利用PECVD技術優(yōu)化界面:一是從界面潤濕性角度來提高襯底/活性物質界面的接觸面積;二是從SEI膜鋰離子傳輸速率角度來優(yōu)化活性物質/電解液界面。(4)利用PECVD優(yōu)化活性物質/電解液界面層。傳統(tǒng)的碳包覆層一般作為電極和電解液的隔離層,可以適當?shù)靥岣咪囯姌O的循環(huán)壽命和穩(wěn)定性,但非晶碳電子離子導電性較低導致其效果并不理想。利用PECVD法在碳纖維紙上原位生長石墨烯墻,獲得了優(yōu)異的活性物質/電解液界面層,此界面層為L型石墨烯背靠背,通過π-π共軛鍵結合形成反T型石墨烯結構。其中,平行于界面的石墨烯有效地阻止了溶液中各種離子與雜質的進入,可以充當界面保護層;垂直于界面的多層石墨烯是高效的離子通道。因該界面層的電場和尺寸離子篩選特性以及直立石墨烯的短離子傳輸通道特性,使得在醚類電解液中經該界面層改性的碳紙儲鋰負極具有良好的穩(wěn)定性和倍率性。(5)利用PECVD技術優(yōu)化集流體/活性物質界面層。利用PECVD在銅基集流體原位生長直立石墨烯(烯銅集流體)。由于烯銅集流體/活性物質界面良好的潤濕性以及循環(huán)過程中烯銅集流體SEI膜的穩(wěn)定性,同等條件下組裝的石墨半電池在3 C倍率放電時,放電容量可達到190 mAh/g,明顯優(yōu)于商業(yè)涂炭銅箔樣品(約160 mAh/g)以及普通銅箔集流體樣品(約90 mAh/g)。
【學位單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TM912
【部分圖文】：

電化學沉積工藝的發(fā)展Figure1.1Themilestonesofelectrodepostion

圖 1.1 電化學沉積工藝的發(fā)展Figure 1.1 The milestones of electrodepostion積技術分為陰極極化還原法和陽極極化氧化法，如發(fā)展，電解液也從水系離子電解液逐漸發(fā)展為有機電在沉積工藝上又分為直流電沉積、交流電沉積和脈

圖 1.3 真空物理氣相沉積的發(fā)展歷程Figure 1.3 The milestones of PVD at high vacuum 是由高能粒子轟擊靶材所形成的高速粒子或者高溫熱解形成沿一定方向沉積在基底材料表面的一種鍍膜方法，主要分為以） 靶材的氣化；） 靶材活性分子、離子、原子的遷移；） 靶材活性碎片（分子、離子、原子）在襯底表面的遷移、沉較為常見是高能源轟擊靶材鍍膜，如下圖 1.4 所示：

【參考文獻】

相關期刊論文 前8條

1 艾新平;;可充金屬鋰負極,路在何方?[J];儲能科學與技術;2018年01期

2 戴朝典;;ARPA-E在第13屆年度鋰電池材料和化學會議上介紹了固態(tài)電池商業(yè)化路徑[J];汽車電器;2017年09期

3 羅紅斌;鄧林旺;馮天宇;呂純;;LiFePO_4鋰離子動力電池內阻與放電倍率關系研究[J];儲能科學與技術;2017年04期

4 李e

本文編號：2825920