论文部分内容阅读
以金属锂代替传统石墨为负极的金属锂二次电池，因其具有高的负极比容量和电池能量密度，被认为是下一代高能储能器件的最佳选择。在众多储能设备中，以金属锂负极和硫正极构筑的锂-硫电池，因锂(3860 mA h g-1)和硫(1675 mA h g-1)具有高的理论比容量，得到了广泛关注。然而，锂-硫电池的实际应用受到硫正极和金属锂负极本征特征的制约。为解决锂-硫电池存在的诸多问题，实现锂-硫电池的实际应用，本论文主要开展以下四个部分工作: （一）硫装载温度对锂-硫电池电化学性能的研究 锂-硫电池因具有高的能量密度而备受关注。但是锂-硫电池的实际应用受到其放电产物多硫离子在电解液中溶解造成活性材料损失的制约。因此本章，我们合成出双微孔分布(0.5 nm，0.8-2 nm)，高比表面积(1992 m2 g-1)，高孔体积（1.2 cm3 g-1）的微孔碳用作硫载体，实现75％的硫装载量。同时，借助真空高温法，将硫引入到微孔碳基底中，制备出含有S-C键的硫/碳复合物。考虑到单质硫和多硫离子能被形成的S-C键有效地捕获，穿梭效应得到明显地抑制。与低温制备的硫/碳复合材料相比，高温得到的硫/碳复合正极得益于纳米孔道的限域作用和S-C键的捕获作用，表现出高的电化学活性(100 mA g-1可逆比容量达到1000 mAh g-1)，良好的循环稳定性（100圈容量保持在667 mAh g-1）。 （二）链状硒分子/分级多孔碳复合材料的制备及其在锂二次电池的研究 本章我们报道了一种双功能纳米结构的硒/微-介孔碳球纳米复合材料(Se/MPCS)。通过将非常规的链状硒分子负载于微-介孔纳米碳球中，构筑的链状硒分子/微-介孔碳球纳米复合材料在金属锂-硒电池中表现出非常优异的电化学性能。除此之外，我们以制备得到的Se/MPCS电极为负极，传统的层状材料为正极组装成一种新型的锂离子全电池。基于Se/MPCS电极为负极而设计的新型锂离子电池表现出更好的安全性、高容量和优异的长循环寿命 （三）基于含铝胶体粒子的固体电解质膜用于高稳定金属锂负极的研究 电解质中痕量水对金属锂的危害很大，这些痕量的水可以与锂盐反应生成氢氟酸，进而腐蚀电池材料。本章工作，通过向有机碳酸酯电解质中加入氯化铝添加剂，使其与电解液中的痕量水优先反应，生成富含氧化铝的固体电解质沉积在金属锂表面及含铝的胶体粒子在电解液中。富含氧化铝的固体电解质层具有高的机械强度和化学、电化学稳定性，可以有效地阻止金属锂与电解液的反应和枝晶的生长，确保高的库仑效率和无枝晶锂形貌。含铝的胶体粒子吸附电解液中的阳离子而带正电荷，形成正电屏蔽场，诱导金属锂的均匀沉积。在含铝固体电解质层和胶体粒子的协同作用下，基于该电解液组装的锂-硒和锂-钛酸锂电池均表现出优异的电化学性能。 （四）球形碳颗粒用于高效稳定“金属锂储藏室” 金属锂是一种有前景的负极材料。然而，锂/电解质界面不均匀的质量和电荷传输，导致形成锂枝晶，“死锂”和不稳定的固体电解质膜，阻碍了金属锂在二次电池中的实际应用。在这部分工作中，我们首次提出一种高效、稳定的“锂储藏室”，实现了金属锂/电解质界面的均匀调控，有效地解决了金属锂出现的问题。我们策略的关键在于实现杂化的锂存储，即在三维导电骨架上生长洋葱状、石墨化的球形碳颗粒，用作锂的“储藏室”，通过电化学沉积将金属锂负载到石墨层间。碳球的球形结构可以增强碳表面的负电性，有利于金属锂的均匀沉积，而以锂碳化合物形式固定下来的锂离子在后续循环过程可以不断地释放出来，补偿不可逆反应消耗的锂离子，保证锂负极的长循环稳定性。构筑的锂负极在金属锂二次电池中表现出优异的枝晶抑制能力、高的锂利用率(＞95％)、和超长的循环寿命（负极仅过量5％的锂，1C循环超过1000圈）。