在日新月异的今天,人们对能源的需求与日俱增。传统化石能源的日趋枯竭和对环境带来的严重污染,极大地破坏了人与自然的生态和谐。因此,开发环境友好型的高效能源体系对我们的生存和发展至关重要。作为一种高效的储能器件,锂离子电池从发明到现在200多年的时间里发生了翻天覆地的变化,现如今已和我们的日常生活息息相关。追求具有高能量密度、长循环寿命和良好安全特性的锂电池已经成为学术界和工业界的共识。金属锂因其具有高的能量密度、低的负电势等优点,被誉为锂离子电池的“圣杯”。然而,由于金属锂自身高的反应活性和趋于无限的体积膨胀等特点带来的锂枝晶生长以及界面不稳定等问题,金属锂在过去几十年的发展中百转千回。本实验室通过简单的熔融浸渍法将碳纳米管微球和熔融的金属锂混合后制备得到的锂-碳复合材料能在循环过程中抑制金属锂体积的膨胀和锂枝晶的产生,有效提高了电极材料的循环库仑效率。在本论文中,我们主要围绕上述锂-碳复合物进行了以下几方面的研究工作:1.研究了乙炔黑(AB)、碳纳米管(CNT)、科琴黑(KB)和导电炭黑(SP)四种碳材料与熔融金属锂的浸润性,讨论了影响金属锂和碳材料浸润的因素。2.设计合成了碳纳米管作为骨架,AB颗粒填充的CNT-AB复合碳材料,与熔融的金属锂混合后,Li-CNT-AB复合材料的比容量能达到2800 mAh g-1。AB填充了碳纳米管微球内部孔隙的同时,具有比CNT更低的锂金属成核能,能够起到调控金属锂沉积行为的作用。当Li-CNT-AB与商用的磷酸铁锂极片(LFP)组成全电池后,材料的库仑效率能达到98.7%,远高于相同条件下金属锂的库伦效率(92.5%)。通过非原位扫描电镜测试表明,Li-CNT-AB在电化学循环过程中几乎没有发生体积的变化。3.构筑了纳米硅担载的Li-CNT-Si复合材料作为锂二次电池的负极材料。纳米硅颗粒的加入不仅提高了锂-碳复合微球的载锂量(10 wt%的硅添加量使得比容量从2000 mAh/g提高到2600 mAh/g),还降低了锂的沉积/溶解过电势,使其有利于引导锂离子回到复合微球内部沉积,提高了材料的循环稳定性。同时,添加的纳米硅颗粒还填充了Li-CNT微球中的孔隙,阻止了电解液渗入复合微球内部腐蚀活性金属锂,进一步提高了材料的库伦效率。以添加10 wt%硅的锂-碳复合材料作为负极,与商用磷酸铁锂正极组成全电池,在常规酯类电解液中1 C条件下能稳定循环900圈以上,库仑效率为96.7%,明显高于同样条件下测得的Li-CNT复合材料(90.1%)和金属锂片(79.3%)的库伦效率。4.通过在以双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)盐为主体的醚类电解液中加入一定浓度的六氟磷酸锂(LiPF6)对金属锂极片表面的SEI层进行调控。对不同循环圈数的极片进行XPS深度剖析后发现,极片表面SEI中聚醚类物质的含量明显提高,从而增强了SEI的致密性,能有效缓解金属锂和电解液副反应的发生。使用十八烷基磷酸(OPA)包覆的锂-碳复合材料(O-Li-CNT)组成的对称电池能在10 mA cm-2的大电流条件下稳定循环450圈以上。当与商用的LFP组成全电池后,能在电流密度为2.5 mA cm-2的条件下稳定循环300圈,库伦效率为99.0%。5.对锂-碳复合材料进行OPA单分子自组装包覆处理,提高了锂-碳材料的环境稳定性,在氧气环境中进行充放电循环时同样具有体积膨胀小,不长枝晶的优点。当与碳纳米管微球(CNTm)组成O-Li-CNT || CNTm锂氧全电池后,通过原位差分电化学质谱测试氧气的生成/消耗率表明,该电池具有较高的循环效率(90.0%),同时电池的循环寿命能在500 mAh g-1carbo 容量条件下稳定循环1800h以上。