含Cu富锂合金作为锂金属负极材料的研究

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当今能源格局正在发生重大变革,人们对低碳可再生能源的需求日益增大。以石墨为负极的传统锂离子电池,受到理论容量的制约,越来越不能满足人们的需求。急需开发高能量密度的电池,锂金属电池以极高的理论容量3860 m Ah g-1受到人们的关注,锂金属负极被认为是未来比较有潜力的负极材料。然而枝晶造成的安全问题和循环过程中的体积变化一直阻碍着锂金属负极的商业化。因此,寻找有效的保护策略来抑制枝晶的生长成为锂金属电池商业化的重中之重。以传统脱合金方法构建3D结构负极为主的保护策略,在一定程度上抑制了枝晶的生长,但是制备过程复杂,不宜规模生产。本文利用加热熔融的方法制备锂合金箔原位脱锂后形成多孔骨架,直接利用合金箔作为自支撑材料,省却集流体,简单易行。主要研究内容如下:第一,我们在实验中发现同时加热Cu和Li箔,两者会发生溶解,冷却后得到的Li-Cu合金具有柔韧性和自支撑性,可直接用做负极材料。与纯锂负极相比,Li-Cu负极在半电池和全电池中都表现出了较好的性能。扫描电子显微镜(SEM)探究了其循环后的形貌,电极在循环过程中Li-Cu以3D骨架的形式存在,降低局部电流密度,诱导锂离子均匀沉积。然而在深度脱锂中,发现3D骨架坍塌粉化,随之电池失效。我们在下面的研究中,对Li-Cu负极做出了进一步的改性。第二,通过熔融和辊压设计并制备了具有不同银浓度梯度的Li-Cu-Ag三元合金负极。电极底部富含亲锂位点,引导自下而上的锂沉积,改善了电极的亲锂性和稳定性,延长了电极的循环寿命。通过原位光学显微镜、电化学阻抗谱(EIS)和SEM表征证明,Li-Cu-Ag三元合金负极具有良好的离子传输和抑制枝晶生长的能力。在0.5 m A cm-2电流密度下,Li92.5Cu5Ag2.5对称电池在1200 h内具有良好的循环稳定性。全电池与Li Fe PO4正极匹配,以2 C速率充放电1000次,容量保持率约为94%。
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