富锂反钙钛矿材料用于安全高能量密度锂电池研究

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作者冯东宇
来源哈尔滨工业大学
出版年2020
摘要
锂离子电池已被广泛应用于消费电子、电动汽车和大规模储能等诸多领域。随着科技的发展和储能需求的日益增加,人们对锂电池在安全性和高能量密度性能方面提出更多的要求。其中以锂金属作为负极的锂硫电池和锂-空气电池为代表的高能量密度储能体系,是下一代锂电池的发展方向。锂硫电池具有高达1167 m Ah g-1的理论比容量和2600 Wh kg-1的理论能量密度。现阶段锂硫电池发展主要面临两方面的问题:1负极锂金属枝晶生长带来的安全隐患;2正极硫化物存在导电性差、多硫化物穿梭和巨大体积变化大大降低了锂硫电池实际容量和循环性能。考虑到一些无机固态电解质具备高离子电导、低电子电导、致密均匀等特性,使其有望在上述两方面提高锂硫电池性能。在锂金属负极表面修饰一层固态电解质膜,为界面电荷转移提供良好的通路并同时作为隔绝多硫化物的屏障,是一种解决上述问题行之有效的思路。因此,选择合适的固态电解质和恰当的成膜工艺成为关键所在。本论文中合成制备了以Li3OCl为代表的具有优异性能的富锂反钙钛矿型(LiRAP)固态电解质。通过熔融涂覆法结合电化学沉积方式将其修饰到锂金属表面作为人造SEI膜,保护锂负极。得到的复合锂负极库伦效率得到明显改善,在0.5 m A cm-2电流密度下循环超过1500圈,平均库伦效率达到99.5%。将此复合锂负极组装成锂硫全电池,在最高11.5 m A cm-2的电流密度下循环3000圈后仍具有70%的容量保持率。文中通过SEM、XPS、原位XRD、原位光学显微镜表征手段研究并探索了LiRAP人造SEI膜在充放电过程中结构变化和抑制锂枝晶机制。指出其具有较高离子电导率是保护锂金属负极的关键因素,并对研究内容做了展望。

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