金属锂电池中碳基梯度亲锂和导电复合锂负极的研究进展

金属锂是下一代高能量密度二次电池的理想负极材料。然而,循环期间不均匀的锂沉积/脱出过程和大体积形变,严重阻碍了金属锂负极的实用化。为了解决上述问题,引入三维骨架形成复合锂负极是一种有前景的策略,可以促进均匀的锂沉积/脱出并缓解负极体积形变。梯度复合锂负极可以引导锂自底向上沉积,从而最大限度地发挥复合锂负极的优势。由于碳骨架具有结构可调节性强、(电)化学稳定和重量轻等特点,碳基梯度复合锂负极受到了广泛关注。本文总结了碳基梯度复合锂负极的最新进展,将其分为梯度亲锂骨架、梯度导电骨架和双梯度骨架,讨论了各类梯度骨架的特点和研究进展。同时,对梯度复合锂负极的发展进行了展望,以望推动复合锂负极在高能量密度电池中的应用。

镍网原位生长氧化镍构建复合锂负极用于锂空气电池

为了提高锂空气电池性能,有效缓解体积膨胀和负极粉化的现象,实验采用金属镍网原位生长氧化镍薄片并与金属锂复合构建复合锂负极Li@Ni-NiO,将其应用于锂空气电池。Li@Ni-NiO的版电池能够在180个循环内维持98%的库伦效率,基于Li@Ni-NiO的锂空气电池可以稳定循环120圈。复合负极有效地缓解了枝晶生长,改善了电场分布,最终达到均匀电镀的目的,为高性能锂空气电池的负极发展提供了一种新的思路。

LiC_(6)在复合锂负极中的作用、形成和表征

锂金属电池(LMB)被认为是最有前景的下一代储能系统之一。然而,其实际应用存在极大的体积变化和锂枝晶的形成等重大挑战。为了应对这些挑战,引入炭材料的复合锂负极因其优异的化学和电化学稳定性以及在重复循环过程中的优异机械强度引起了极大关注。本文旨在全面概述锂化石墨(LiC_(6))的形成及其在锂沉积和剥离过程中在体相和界面区域的作用。在体相中,LiC_(6)表现出优异的亲锂性能,降低了锂成核的过电位并促进锂的均匀沉积。当在电极-电解质界面引入LiC_(6)时,它通过充当缓冲层来增强电极和电解质之间的接触,从而降低界面阻抗。最后,本文评述了锂碳复合负极发展的前景和挑战。

Si/C复合锂离子电池负极材料的制备及其性能

从电池性能的角度出发,合理设计电池负极材料是必要的,为此提出Si/C复合锂离子电池负极材料的制备及电化学性能分析研究。准备实验材料和仪器后,分别按照Si:石墨为1:9、2:8、3:7和4:6的比例准备混合料,按照料液比1:4加入无水乙醇作为球磨介质,在球磨机中进行球磨处理,干燥后得到Si含量分别为10%、20%、30%和40%的复合材料;按照质量比为90:5:2:3的比例活性物质(Si/C复合材料)、导电剂碳黑、分散剂乙二醇和粘结剂PVDF配置浆料,涂抹于锂箔表面,经热压成型机对极片进行压实处理,得到Si/C复合锂离子电池负极。在采用电池测试系统在100 mA/g下对硅含量分别为10%、20%、30%和40%的复合材料电极电化学性质进行测试,得出结论Si/C复合锂离子电池负极材料的放电容量受硅含量影响明显,并且不存在直接的线性相关关系;硅含量也会影响Si/C复合锂离子电池负极材料的库伦效率,过高或高低都会导致库伦效率下降。

亲锂的三维二硫化锡@碳纤维布用于稳定的锂金属负极

金属锂由于其高的比容量,低的电极电势和轻质等特点被认为是下一代高能量密度锂金属二次电池负极材料的最佳选择。然而,充放电循环中不均匀的锂沉积会导致严重的体积变化和大量的锂枝晶形成,从而影响了电池的库伦效率甚至会带来严重的安全隐患。为此,本文设计了一种亲锂的三维二硫化锡@碳纤维布复合基底材料,并作为集流体将其应用于金属锂电池上。一者,高比表面积的三维碳纤维骨架可以适应充放电过程中的体积变化并且有效地降低局部电流密度,从而确保锂的均匀沉积。二者,表面修饰的SnS2层在锂沉积过程中可以形成Li-Sn合金界面层,诱导锂的沉积并降低过电势。最终,实验结果表明:使用所制备的复合集流体与金属锂搭配组成的半电池可以在5 mA·cm^(-2)的高电流密度下以>98%的库伦效率稳定循环100周以上。此外,在承载10 mAh·cm^(-2)的金属锂后,复合的锂负极无论是在对称电池还是与磷酸铁锂组装成的实际电池中,均可以在高的电流密度下实现稳定的循环。我们相信这一复合的集流体构建策略对于设计安全稳定的锂金属电池或器件具有重要意义。

二氧化锰修饰氮掺杂碳管球的制备及其在锂金属电池中的应用

为解决锂金属作为负极因锂枝晶生长而造成电池的安全隐患,以及锂枝晶脱落产生死锂而使电池性能变差的问题,采用水热法,通过聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和高锰酸钾反应,制备了二氧化锰(MnO_(2))修饰氮掺杂碳管球(NCNT@MnO_(2)球),对其微观形貌和结构进行了表征;将NCNT@MnO_(2)球作为存储锂的基底并通过电化学沉积制备了锂金属复合负极,并对该复合负极组装的对称电池、全电池进行了循环稳定性能和倍率性能分析。结果表明:氧、锰、氮元素均匀分布在NCNT@MnO_(2)球上,并形成有效亲锂梯度结构;在1.0 mA/cm^(2)的电流密度下,Li‖Li对称电池能稳定循环300 h,表明MnO_(2)和氮的修饰有利于锂的均匀沉积和稳定界面,并减少死锂的产生;全电池在5.0 C倍率下恒流充放电,比容量达117 mAh/g,大大超过无任何修饰的碳纳米管(CNT)所组装电池的比容量(仅65 mAh/g);在1.0 C电流密度下的长循环测试中,使用NCNT@MnO_(2)球复合负极的全电池初始容量高达153 mAh/g,并可稳定工作500次循环,平均库伦效率超过99.3%。该研究制备的NCNT@MnO_(2)球可以有效地保护锂金属负极,是延长锂金属电池寿命、提高电池比容量与库伦效率的可行策略。

TiO_2/graphene nanocomposites as anode materials for high rate lithium-ion batteries

A simple strategy to prepare a hybrid of nanocomposites of anatase TiO2/graphene nanosheets （GNS） as anode materials for lithium-ion batteries was reported.The morphology and crystal structure were studied by X-ray diffraction （XRD）,field emission scanning electron microscopy （FE-SEM） and transmission electron microscopy （TEM）.The electrochemical performance was evaluated by galvanostatic charge-lischarge tests and alternating current （AC） impedance spectroscopy.The results show that the TiO2/GNS electrode exhibit higher electrochemical performance than that of TiO2 electrode regardless of the rate.Even at 500 mA/g,the capacity of TiO2/GNS is 120.3 mAh/g,which is higher than that of TiO2 61.6 mAh/g.The high performance is attributed to the addition of graphene to improve electrical conductivity and reduce polarization.