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锂二次电池泡沫金属锂负极研究

王崇  
【摘要】: 金属锂负极具有高的质量比能量、高的电化学反应可逆性、低的电极电势,但金属锂负极在循环过程中,表面容易形成枝晶和死锂,导致循环性能及安全性能差,所以如何抑制枝晶及死锂的生长,提高其循环性能和安全性能是本文的主要研究内容。 本文用泡沫镍、泡沫铜做基体,采用双阳极电沉积的方法制备了高比表面积泡沫状的金属锂负极材料,系统地研究了泡沫金属锂的制备工艺,同时,对泡沫金属锂电极材料的电化学行为及其对锂二次电池性能的影响进行了研究,最后对这种新的锂电极的作用机制进行了分析。 研究结果表明,采用电沉积方法制备泡沫金属锂的工艺为,沉积电流密度为1mA·cm-2,沉积量为小于20mAh·cm-2。制备的泡沫金属锂具有几倍于平面锂电极的真实表面积,在相同的充放电条件下,其电极表面的真实电流密度将成倍减小。沉积/溶解循环测试表明,泡沫金属锂20次平均循环效率为94.2%,而金属锂箔仅为46.7%。EIS阻抗谱分析显示,在相同的充放电条件下,泡沫金属锂负极40次循环阻抗值从160?增加到260?,而金属锂箔则从2500?增加到25000?,随着循环次数的增加,泡沫金属锂的表面阻抗值增加轻微,而金属锂箔表面阻抗则增加明显。对电池的充放电曲线分析发现,泡沫金属锂为负极的锂电池充电平台较锂箔做负极时低,而放电平台较锂箔做负极时要高。所以泡沫金属锂为负极的锂电池在多次循环后其电池的充放电容量较锂箔做负极时有了提高,在4mA·cm-2电流密度下,循环100次后充放电效率仍可达到95%以上,容量保持为初始容量的95%以上,而金属锂箔则降为95%以下和低于40%。 泡沫金属锂的作用机制为:泡沫金属锂大的真实表面积使真实电流密度减小,而小的电流密度会抑制枝晶及死锂的生长,从而使锂电极在充放电过程中显示出优异的界面稳定性、高的充放电效率以及更长的循环寿命;同时三维的泡沫结构也会一定程度上减小正负极间接触面积,枝晶在泡沫体内部生长,减小了短路情况的发生,提高了锂二次电池的安全性能。


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