近年來,能源供給日益緊張的局勢迫切要求人們研發(fā)兼具高能量密度和長使用壽命的金屬二次電池（如鋰、鈉、鋅、鎂金屬電池等）,以滿足電動汽車、便攜式電子設備、航天電源等領域的能源需求。在上述二次電池中,鋰金屬作為負極時,因具有最低的還原電勢（—3.04 V vs標準氫電極）和最高的理論容量（3860 mAh g-1）,引起了科研工作者強烈的興趣。但目前,鋰金屬電池因鋰枝晶問題使其應用前景大打折扣。這主要是因為:（1）鋰枝晶的生長與蔓延極易誘發(fā)電池內(nèi)部短路導致電池安全問題;（2）鋰枝晶在快速放電過程中,極易脫落于電解質(zhì)液中形成“死鋰”,降低電池容量和縮短電池的使用壽命。（3）鋰枝晶刺破固體電解質(zhì)保護層,與電解液發(fā)生副反應,消耗電解液,縮短電池的使用壽命。由此可見,鋰枝晶的抑制是開發(fā)高功率密度和長使用壽命儲能電池的首要前提。在過去幾十年中,科研工作者通過對電解液改性、固體電解質(zhì)界面保護、固態(tài)電解質(zhì)、結構化或功能化負極、隔膜改性、充電方式等技術手段來抑制鋰枝晶。上述有關材料創(chuàng)新的研究工作已取得重要進展,但鋰枝晶難題依然懸而未決。理解枝晶結構的生成機制角和洞悉枝晶結構生長的驅(qū)動力將有助于提出新的抑制鋰... 

【文章來源】：中國科學院大學(中國科學院過程工程研究所)北京市

【文章頁數(shù)】：177 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

圖１．１化學電源示意圖??

鋰電池發(fā)展甚至一度停滯。直至１９９１年，索尼公司以鈷酸鋰為電池正??極材料，以碳材料為負極（鋰離子嵌入形成ＬｉＡ．Ｃ化合物），避免了使用金屬鋰作??為負極帶來的電池內(nèi)部短路的問題（圖１．３ｂ）?［５］。在充電過程中，鋰離子從正極??化合物ＬｉＣｏ０２晶格中脫出生成Ｌｉ７＿ｘＣｏ０２，脫出的鋰離子在電解液（如商用電解??液ｌｍｏｌ／ＬＬｉＰＦ６／ＥＣ／ＤＭＣ）中由正極向負極傳輸，在負極處嵌入碳插層材料形成??ＬＬＴＣ。至今鋰離子電池仍廣泛應用于日常生活中的方方面面［７４（）］。??⑷??？???＋?＊??Ｐｏｓｉｔｉｖｅ?Ｎｏｎ－ａｑｕｅｏｕｓ?Ｎｅｇａｔｉｖｅ??（Ｌｉｘ?Ｈｏｓｔ?１）?ｌｉｑｕｉｄ?ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ?（Ｌｉｔｈｉｕｍ）??Ｉ??Ａｆｔｅｒ?１ＣＸ）?ｃｙｃｌｅｓ??（ｂ）??？???．??Ｐｏｓｉｔｉｖｅ?Ｎｏｎ－ａｑｕｅｏｕｓ?Ｎｅｇａｔｉｖｅ??（Ｌｉｘ?Ｈｏｓｔ?１）?ｌｉｑｕｉｄ?ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ?（Ｌｉｘ?Ｈｏｓｔ?２）??＼ｌ〇〇°〇ｗ??圖１．３鋰離子電池和鋰金屬電池的工作原理圖示１５１??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ?ａｎｄ?ｏｐｅｒａｔｉｎｇ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ?ｏｆ?ｌｉｔｈｉｕｍ?ｍｅｔａｌ?ｂａｔｔｅｒｙ?ａｎｄ??ｌｉｔｈｉｕｍ?ｉｏｎ?ｂａｔｔｅｒｙ１５１．??在商業(yè)化的鋰電池中

金屬鋰是電池的理想負極，因為它具有最高的理論容量ＧＳｅＯｍＡｈｇＵ），最低的??密度（０．５９ｇｃｎｆ３）和最負的電化學電位（一３．０４Ｖ?）。與現(xiàn)有的ＬＩＢｓ相比，金??屬鋰作為負極進一步提高了鋰金屬電池（ＬＭＢ）的能量密度，如圖１．５所示，Ｌｉ－０２??和Ｌｉ－Ｓ電池分別具有高達３５０５?Ｗ?ｈ?ｋｇ“和２５６７?Ｗ?ｈ?ｋｇ—１的理論能量密度［６３＃］。??這些鋰金屬電池充分發(fā)揮了金屬鋰的優(yōu)勢，在滿足新興行業(yè)高能量密度需求層面??具有巨大潛力。??（ａ）?（ｂ）?■ｕｎｍ咖丨ａｕｔｊｍ??：?－?？?Ｏ?－??翻Ｉ關??，ｃ，ｙＥ＾§??＂Ｕｒ?＿?Ａｎｏｄｅ?ｍＭｔｒｉａｂ??＾?ｍｍｍｍｍｍ?■■ｍｍｍｍｍｍｍ?〇ｔ?Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ?ｓｉｄｅ?ｒｅａｃｔｉｏｎ??差一?＊?ＥＳＳＳＢＢＤ??一?．?１??１０ｉｘＵ？ｃｃ＾—一??圖１．５鋰金屬電池優(yōu)勢及其面臨問題分析：（ａ）鋰離子電池示意圖；（ｂ）鋰金屬電池示意??圖；（Ｃ）典型電極材料在電壓和容量方面的比較，ＬＭＢｓ的能量密度遠大于ＬＩＢｓ；?（ｄ）鋰??枝晶引起的安全問題；（ｅ）連續(xù)副反應引起的較低的循環(huán)性能；（ｆ）負極內(nèi)無限的體積變化??引起的負極粉碎１６３４５１??Ｆｉｇｕｒｅ?１．５?Ｔｈｅ?ａｄｖａｎｔａｇｅ?ｏｆ?ｌｉｔｈｉｕｍ?ｍｅｔａｌ?ｂａｔｔｅｒｙ?ａｎｄ?ｉｔｓ?ｐｒｏｂｌｅｍ．（ａ）?ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ??ｂａｔｔｅｒｉｅｓ?ａｎｄ?（ｂ）?ｌｉｔｈｉｕｍ－ｍｅｔａｌ?ｂａｔｔｅｒｉｅｓ


本文編號：3434175