锂离子电池负极表面锂枝晶的形成机理、影响因素及消除方法的研究

The project will system research the problem of lithium dendrite for lithium-ion power battery. The formation mechanism, influencing factors and the elimination of lithium dendrite on the anode surface of lithium-ion battery will be study emphatically. By using of various in-situ electrochemical test methods, in-situ synchrotron radiation imaging technology, assisted camera optical microscope, acceleration adiabatic calorimeter (ARC) and material characterization such as XRD, SEM and TEM, the relationship between growth process of lithium dendrite and the factors such as environment temperature, manufacturing process of electrodes, the rates of charge and discharge, overcharge phenomenon and circulation will be demonstrated. The mechanism of lithium dendrite growth on the surface of anode will be clarified. Optimization of the preparation process of the electrodes, modification of anode materials, improvement of charging technology and other important solutions will be studied to form a universal guidance of basic theory for elimination of lithium dendrite. The results will provide a theoretical basis for the development of the next generation high-capacity electrochemical energy storage system.

本项目针对新能源利用的大容量锂离子动锂电池负极表面锂枝晶问题进行系统研究。重点研究锂离子电池负极表面锂枝晶的形成机理、影响因素及消除锂枝晶的方法。采用各种原位电化学测试方法并结合原位同步辐射成像技术、具有摄像辅助的光学显微镜、加速绝热量热仪(ARC)及XRD、SEM和TEM等手段，观察锂枝晶的生长与环境温度、电极制造过程、充放电速率、过充现象以及循环等因素之间的关系，阐明锂枝晶在负极材料表面的生长机理。研究优化电极制备工艺、改性负极材料、及改进充电技术等重要解决方案，形成具有普遍指导意义的消除锂枝晶的基础理论。为发展下一代高安全性、大容量锂离子动力电池体系提供基础。

本项目针对新能源利用的大容量锂离子动力电池负极表面的锂枝晶问题，建立了一种在线研究负极电位的三电极反应体系，针对石墨、中间相碳微球、硅/碳和钛酸锂负极表面锂枝晶生长“热点”以及负极/电解质表界面SEI膜与锂枝晶的关系展开系统研究，证明表面电流密度对金属锂沉积过电位的影响。在此基础上通过材料结构设计，对负极材料表面电荷均一性问题进行改进从而抑制锂枝晶形成。设计制备了具有导电交联网络结构的自支撑聚吡咯薄膜负极和碳基薄膜负极，考察负极嵌锂电位、嵌锂机理、电导率、杂原子掺杂对锂离子扩散的作用，特别是作为动力电池负极在大电流密度下对锂脱嵌或沉积的性能影响。研究了钛酸锂负极的嵌锂工作原理和电极表面电场分布特性，设计了几种钛酸锂/碳复合材料，以平衡电极表面的电场分布差异。设计开发了从根本上消除安全隐患的新型全固态电解质（3LiBH4-LiI@SBA15）并测试了全固态电池体系，为下一代高安全性、大容量锂离子动力电池体系提供了理论和实验基础。已经有12 篇论文发表在 Adv. Energy Mater., ACS Appl. Mater. Inter., Chem. Commun., Carbon等国内外著名学术刊物上，申请国家发明专利4件，已经授权专利2件。