论文部分内容阅读
现有电池体系中,锂离子电池研究最多,虽然锂离子电池的能量密度较铅酸、镍氢等电池的要高,但仍不能满足人们对更高能量密度的需求。金属锂的高比容量(3860 mAhg-1)和低还原电位(-3.04Vvs.SHE)使其成为最有前景的负极材料,因此一些科研工作者将研究重点转移到金属锂电池。然而,锂金属负极存在众多问题,例如不均匀的锂沉积,相对无限体积膨胀,锂枝晶诱发的短路等已经阻碍了可充电锂金属电池在过去40年的实际应用。基于此,本文提出一个简单有效又低成本的方法,通过组装3D多孔铜网集流体/锂复合负极,来促进均匀锂电沉积和减少锂金属负极的体积膨胀。这种复合电极的高比表面积有利于电化学反应动力学,降低负极的局部电流密度,抑制锂枝晶的生长。同时这种复合电极的多孔结构也可以给再沉积的锂提供“笼子”,在循环期间缓解了锂负极的体积膨胀。在电化学表征中,这种复合电极的库伦效率在100次循环后为93.8%,然而普通锂负极在70次循环后只有30.9%。在0.5 mAcm-2条件下表现出了至少1280 h的稳定长循环寿命,电化学阻抗也很小(1次循环后仅29Ω cm2,对比普通锂负极则是136 Ω cm2),并成功应用于Li/Li4Ti5O12电池体系当中。另外,本文提出用脉冲电流充电取代恒定电流充电来稳定锂金属负极。基于全原子分子动力学模拟的结果表明,在电解质中Li+的迁移扩散和潜在的离子浓度梯度对减少枝晶形成和促进稳定的电池循环起着关键作用。存在最佳比率的Ton/Toff可以获得Li+的最高扩散系数,同时Li离子与对离子之间的较弱关联是比较好的。电化学循环性能的结果也表明,脉冲电流能够改善锂离子在电极表面的沉积,降低锂枝晶生长的可能性,并且还可以减小Li电极的体积膨胀,最终延长锂金属电池的寿命。