泡沫锂与三维集流体磷酸亚铁锂电极的研究及机理分析

通过电化学方法制备具有高比表面积的泡沫锂作为金属锂二次电池的负极，降低电极反应的真实电流密度和极化，抑制锂枝晶的生成，提高金属锂二次电池的循环性能和安全性；采用电化学微探针技术对泡沫锂内部微区电势进行分析，建立三维网状结构内部电势及电流密度分布的数学模型；通过分析泡沫锂骨架表面SEI膜的微观形貌及结构变化，结合泡沫锂负极电化学性能测试，研究电流密度对金属锂沉积过程的影响及其动力学关系，以期阐明充放电循环过程中泡沫锂电极的三维网状结构对稳定SEI膜和抑制锂枝晶生长的作用机理，为金属锂负极由二维平面结构发展为三维网状结构提供理论依据和实验基础。. 利用泡沫金属做集流体制备三维磷酸亚铁锂电极，研究三维集流体与活性物质界面的导电机理，阐明三维网状导电网络提高磷酸亚铁锂电极倍率性能的机制。

三维结构电极性能突出，研究其作用机理具有理论指导意义。采用三维网状金属作为支撑体和集流体，制备了三维网状结构的金属锂、NiO和Co3O4负极，以及三维网状集流体LiFePO4正极，对制备工艺、电化学性能以及作用机制进行了研究，并建立了三维网状结构电极和三维网状集流体电极的内部电势与电流密度分布的数学模型。. 在锂离子电池电解液（1mol•L-1LiPF6 /EC:DEC:DMC =1:1:1）中，泡沫锂的阴极还原电流密度为 1-4mA/cm2。泡沫锂负极性能稳定的作用机理是，泡沫锂的高比表面积降低真实电流密度和极化，不易产生枝晶和死锂，从而提高倍率性能和循环性能。对构建的泡沫锂负极内部电势和电流密度分布模型进行计算机模拟表明，由于有机电解液的电阻率高，产生较大的液相电势降，泡沫锂内部电流密度小，泡沫锂越薄，内部利用率越高。. 三维网状NiO和Co3O4负极与二维电极相比，倍率性能得到明显提高。建立受扩散影响活性物质厚度与充放电性能关系的数学模型分析表明，三维网状电极高的比表面积降低了活性物质单位面积的负载量，使比容量和倍率性能得到显著提高。. 制备了泡沫镍和泡沫铝为集流体的三维结构LiFePO4电极，其体积比容量超出铝箔电极1.2倍，质量比容量高出铝箔电极50%，单位面积的涂膏量是铝箔电极的10倍以上。对构建的三维集流体LiFePO4电极内部电势分布数学模型分析表明，三位集流体的孔径越小，活性物质的平均利用率越高。. 三维网状泡沫锂、NiO、Co3O4电极与三维网状集流体LiFePO4电极的研究及机理分析，为高性能三维结构电极的研究与应用提供了一定的实验数据和理论依据，希望能够起到抛砖引玉的作用。