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

1、高能量密度能源存儲系統(tǒng)是實現(xiàn)新能源變革和交通工具電氣化的技術基礎。傳統(tǒng)的能源儲存系統(tǒng)鋰離子電池由于低的比容量以及比能量，已經(jīng)難以滿足未來對能源的強烈需求。因此，提升電池能量密度是未來發(fā)展的重要方向?；阡囯x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儲能過程中由不穩(wěn)定

2、的脆性固體電解質(zhì)相界膜引起的枝晶生長和巨大體積變化嚴重影響電極的循環(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散傳導動力學限制導致的活性物質(zhì)無法充分利用以及倍率性能差，這些都嚴重限制了其實際應用。近幾年的研究表明，電極的結(jié)構(gòu)設計是改善電極的電化學性能有效方法。如何通過合理的跨尺度電極結(jié)構(gòu)設計，從而針對性解決高能鋰金屬以及高載量電極中的問題提升電池能量密度面臨著重要挑戰(zhàn)。
　　本論文旨在通過電極跨尺度結(jié)構(gòu)設計實現(xiàn)高能鋰金屬

3、以及高載量電極的制備和應用，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展，闡述了其中存在的主要問題以及當前主要解決策略。在研究理論基礎上，提出合理的跨尺度電極結(jié)構(gòu)設計，發(fā)展結(jié)構(gòu)設計的一系列方法，探索結(jié)構(gòu)對性能的作用機制，解決鋰金屬電極以及高載量電極中的科學問題，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)的銅箔集流體實現(xiàn)了鋰離子流在負極的均勻分布，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)絡的內(nèi)部孔道中，顯著提升了鋰金屬負極的循環(huán)穩(wěn)定性。這種納米結(jié)構(gòu)集流體設計為高效抑制鋰枝晶生長提供了一個新思路。
　　2.在制備的銅納米線網(wǎng)絡集流體的基礎上，通過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復合鋰金屬電極。由于具有高導電率的三維Cu@

5、Ni納米線框架，在循環(huán)過程中可以引導鋰金屬在網(wǎng)絡中的沉積與脫出，抑制鋰枝晶的形成和生長。同時由于三維Cu@Ni納米線網(wǎng)絡框架高的機械與化學穩(wěn)定性，可以保證電極在循環(huán)過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輸通路的啟發(fā)，通過溶膠-凝膠法將木材的微結(jié)構(gòu)復制到高載量的鈷酸鋰正極中，實現(xiàn)了高的面積容量和優(yōu)良的倍率能力。通過X-射線三維成像技術表征和理論計算，其曲折率比隨機結(jié)構(gòu)的低1.5倍，從