基于非晶合金的金属锂负极多孔集流体研究

With the development of portable electronics, electric vehicles, grid storage and other emerging technologies, batteries with higher energy density need to be developed, thus it is urgent to search materials with higher specific energy. The metallic lithium has become the ultimate choice of anode materials due to its lowest electrochemical potential and high theoretical specific capacity. However, due to dendrite formations and other problems, the long-cycle life and safe application of lithium metal anodes have not been realized. Based on the structural characteristics of amorphous alloys, such as structure and composition homogeneity, free of dislocations and grain boundaries, the technology of dealloying amorphous alloy will be studied and the obtained three dimensional porous metal materials will be used as current collector for lithium metal anode. The "plating/stripping" behavior of lithium metal in three-dimensional porous collector will be systematically studied. In addition, we will also study the influence of artificial SEI covering the surface of three-dimensional porous metals on the cyclability of lithium metal anodes. By synthesizing the above methods, the optimal Coulombic efficiency could be achieved. Our research will provide a new idea for the next generation of lithium metal battery with high energy density, high security and long-life.

便携式电子产品、电动交通工具、规模化储能等新兴技术领域的发展对蓄电池的能量密度不断提出新的期望和要求，寻找更高比能量的正负极材料体系已成当务之急。金属锂负极以其最低的电化学势以及极高的比容量，成为学术界和产业界关注的终极负极材料。但由于枝晶生长及低库仑效率等问题，至今未能实现金属锂负极的长寿命循环和安全应用。本项目基于非晶态材料成分、结构均一，无位错、晶界等结构缺陷的特点，以非晶合金为前驱体，研究其脱合金化制备三维多孔金属材料的工艺，并应用为金属锂电池负极集流体，系统研究金属锂在三维多孔集流体中的“沉积-溶解”规律。另外，结合材料表面改性手段，在三维多孔集流体表面制备人造SEI膜进一步提升其锂沉积的均匀性。综合上述手段，优化出最佳循环库仑效率，为实现下一代高比能量、高安全性、长寿命的金属锂电池提供一条新思路。

锂离子电池作为当前性能最优的电化学储能器件，在推动全人类向清洁能源交通及可持续能源发展方面被寄予厚望，已经被大规模商业推广。然而，锂离子电池在能量密度、充电速度、低温性能等方面仍然被诸多诟病。本项目围绕提升锂离子电池性能展开了一系列的工作。1）应用于负极的多孔集流体研究。分别基于非晶合金脱合金化制备了三维多孔铜集流体，以及基于天然灵芝块材制备了多孔碳集流体。研究结果发现多孔碳集流体与多孔铜集流体相比，在锂电循环保持率及库仑效率方面更有优势，其来源主要是由于其更为均匀的初级及次级多孔结构。2）研究了锂离子电池电芯多极耳设计对其充电倍率的影响。研究结果表明，相对于传统极耳结构，在同等充放电条件下，新型结构充电速度可以提升，内阻、极化均有所下降，新型结构充放电发热量小，该新型集流体结构对于降低金属锂沉积时的局域电流面密度也有一定的启发。3）为了解决锂离子电池极低温环境无法充电的问题，探索了锂离子电池脉冲自加热方法。在一定的频率和电流下，可使得电池从-20℃快速上升至10℃。该加热方法速度快、均匀性好、能耗低，具有较好的推广意义。4)通过对金属锂枝晶生的sand模型的研究，提出了一种确定锂离子电池不同SOC下充电边界电流的方法。该方法为锂离子电池快充策略提供了较好的理论基础。5）为探索锂离子电池在柔性电子器件方面的应用，还研究了石墨烯硅基柔性复合锂电池负极材料以及可裁剪的柔性薄膜锂电池制备技术。相应的原型样品具有稳定循环能力，为进一步开发可应用的工程产品提供了基础。6)基于前述多孔结构尺寸效应工作方面的启发，本项目还探索了FeRh合金磁热效应的尺寸效应，开展了掺杂效应在提升Ba2ScAlO5材料的热电子性能方面的工作。