物理氣相沉積法改性金屬鋰負(fù)極的研究.pdf

1、金屬鋰因其超高的理論比容量(3860mAh/g)和最低的氧化還原電位(-3.045V，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極電勢(shì))，被認(rèn)為是下一代高能量密度電池的首選負(fù)極材料。但是，在循環(huán)過(guò)程中，鋰枝晶生長(zhǎng)帶來(lái)的安全問(wèn)題嚴(yán)重影響了金屬鋰二次電池商業(yè)化的進(jìn)程。同時(shí)由于金屬鋰的活性較高與電解液不斷發(fā)生反應(yīng)，也會(huì)影響電池的循環(huán)效率。為了解決以上問(wèn)題，本文通過(guò)采用濺射技術(shù)在金屬鋰表面制備不同材料的包覆層，研究包覆處理后鋰電極的性能和改性機(jī)理，主要研究?jī)?nèi)容如下：

2、>　　(1)通過(guò)Li-Cu電池的組裝測(cè)試，研究了金屬鋰二次電池的失效機(jī)制、鋰電極的電化學(xué)過(guò)程、枝晶生長(zhǎng)方式以及循環(huán)效率的狀況。然后，采用離子束濺射技術(shù)在金屬鋰電極表面生長(zhǎng)了具有超高離子電導(dǎo)率的Li3N薄膜，研究了氮化處理后鋰電極的界面穩(wěn)定性和循環(huán)性能。測(cè)試結(jié)果證明Li3N包覆層可以抑制電極表面副反應(yīng)，提升電極的界面穩(wěn)定性和循環(huán)壽命。
　　(2)采用化學(xué)性質(zhì)更加穩(wěn)定的Al2O3作為濺射靶材，首次通過(guò)磁控濺射技術(shù)在金屬鋰表面沉積納米厚

3、度的Al2O3包覆層，研究了Al2O3對(duì)鋰電極表面形貌和電化學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明Al2O3包覆層均勻分布于電極表面，在96h的電解液浸泡測(cè)試中，表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性。在0.5mA/cm2電流密度下，包覆20nm Al2O3的鋰電極循環(huán)壽命提升一倍以上(達(dá)到600周)；在全固態(tài)的電池測(cè)試中，包覆后的鋰電極也展現(xiàn)了非常穩(wěn)定的極化電位；在Li-S電池的循環(huán)測(cè)試中，包覆20nm Al2O3的電池在0.2C倍率下循環(huán)100周后放電容量達(dá)697

4、.9mAh/g，容量保持率65.8％，遠(yuǎn)高于未包覆鋰電極的38%。在不同循環(huán)周期的交流阻抗測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，包覆20nm Al2O3的電極在200周內(nèi)界面阻抗并沒(méi)有增大；同時(shí)循環(huán)200周后包覆20nm Al2O3的鋰電極表面無(wú)明顯枝晶。
　　(3)采用化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且具有較高離子電導(dǎo)率的Li3PO4作為包覆材料，通過(guò)磁控濺射技術(shù)將其沉積在鋰電極表面，研究了Li3PO4包覆層對(duì)鋰電極性能提升的作用機(jī)理。在室溫條件下，通過(guò)濺射技術(shù)在金屬鋰表面

5、制備了不同厚度的非晶態(tài)Li3PO4薄膜，離子電導(dǎo)率可達(dá)到2.8×10-8S/cm，電子電導(dǎo)率為1.4×10-10S/cm。經(jīng)過(guò)30cm Li3PO4包覆后的鋰電極具有最好的界面穩(wěn)定性。在0.5mA/cm2和1mA/cm2的電流密度下，包覆30nm Li3PO4的鋰電極都展現(xiàn)出了更優(yōu)異的循環(huán)壽命；循環(huán)100周后的電極表面/截面顯微結(jié)構(gòu)表征表明，未包覆的鋰電極帶有74μm的“死鋰”和SEI層，而包覆后的電極表面則平整無(wú)枝晶；在Li-S電池的