原位生长纳米氧化铜稳定金属锂负极及其电化学性能研究

【摘要】：金属锂具有极高的理论比容量(3860 m Ah g~(-1))、最小的金属密度(0.534g cm~(-3))和最负的电极电位(-3.04 V vs.标准氢电位),是锂电池负极材料最理想的选择。然而在循环过程中产生的锂枝晶、界面反应、体积变化大和循环寿命低等问题,使金属锂负极的电化学性能和安全性受到严重的影响,制约了金属锂电池的发展和应用。基于上述问题,本文从金属锂负极本身出发对其进行改性研究,制备了不同结构的纳米Cu O载体,通过抑制锂枝晶和适应体积变化等手段来提高金属锂负极的电池性能和安全性能。具体研究内容如下:(1)原位生长CuO纳米簇阵列(CuO-NCA)稳定金属锂负极研究。首先以Na OH溶液、NH_3·H_2O溶液、H_2O_2溶液为原料,通过低温湿化学法在铜箔表面原位生长Cu(OH)_2纳米簇阵列,然后通过热处理对其进行脱水处理制备Cu O纳米簇阵列。此特殊纳米结构作为载锂基底具有低的成核电位和低的界面阻抗,能有效引导锂均匀沉积。高的表面积有效降低电极表面的实际电流密度,同时能够适应金属锂在循环过程中的体积变化。与纯铜基电极相比,Cu O-NCA电极具有更加优异的循环稳定性和倍率特性。Li|Cu O-NCA半电池前230个循环的平均库伦效率高达98%,Li|Li/Cu O-NCA对称电池能稳定循环1000小时且不出现短路现象。Li FPO_4作为正极,Li|Cu O-NCA作为负极,组装而成的全电池在0.5 C倍率下充放电300个循环后容量仍保留有77.2%,平均每个循环衰减率仅为0.076%,平均库伦效率高达98.8%。(2)原位生长CuO离散纳米线(CuO-DNW)稳定金属锂负极研究。首先以Na OH溶液、(NH_4)_2S_2O_8溶液为原料,通过低温湿化学溶液法在铜箔表面原位生长Cu(OH)_2纳米线,然后通过热处理脱水后得到多向离散分布的Cu O纳米线。对比不同浓度Na OH溶液下Cu O-DNW基底的结构变化并研究其电化学性能,其中Cu O-DNW-10电极性能最优,高比表面积有效降低了电极表面的电流密度,离散纳米线结构给金属锂提供了沉积点位同时能够适应金属锂在循环过程中的体积变化。在半电池中保持稳定循环120圈且具有高库伦效率(98.3%)和低极化电压(24 m V),Li|Li/Cu O-DNW-10对称电池稳定循环900个小时没有发生短路。