摘要
锂金属负极是较为理想的锂电池负极材料。然而，由于局部极化和锂金属的二维沉积模式锂金属电池在循环过程中会产生大量的锂枝晶，锂枝晶刺穿隔膜就会造成电池短路引发安全问题，同时死锂的形成还会造成电池容量的损失，最终造成较低的库伦效率。三维集流体的引入可以有效地抑制锂枝晶的生长，同时有效了缓解锂金属充放电过程中的体积膨胀等问题。对此我们以金属泡沫镍(NF)和200目的Cu网作为三维集流体的基底，对其进行改性，进而研究锂金属的沉积行为和集流体的电化学性能。 (1)原位构建了具有离子/电子双导电的Li2S@Ni-NF三维集流体，并研究了其在锂金属全电池中的电化学性能。以NF为基底，通过Ni3S2纳米片的修饰和原位活化过程，得到了由Li2S和Ni在NF上修饰的三维集流体。该Li2S@Ni-NF集流体具有独特的纳米片垂直排列和相互交联的结构，同时，具有的这种离子/电子导电阵列不仅能够有效的调节了Li+离子通量，而且能够起到调节电场的作用，为Li+离子和电子的快速传输提供了连续途径。因此，该集流体具有的较高的Li+离子扩散系数和电子电导率，能够有效抑制和减缓锂枝晶的生长。在LiFePO4|Li2S@Ni-NF@Li全电池体系中，当N/P为6.3时，在2C倍率下，循环800圈后，其容量为134.36mAhg-1，与循环中最高的放电容量相比，容量保持率高达90.8%。在5C的倍率下循环700圈和10C的倍率下循环350圈后，其容量保持率分别可高达95.7%和86.4%。更为出色的是，当N/P为1.2时，在0.5C的倍率下，循环130圈后其容量仍有101.98mAhg-1。这项工作为对高性能无枝晶锂金属负极的开发提供了新的思路。 (2)制备了Cu3P-Cu三维集流体并研究其在锂金属半电池中的电化学性能。选取200目的Cu网为基底，先后通过化学沉积法和高温固相法，最终得到Cu3P纳米棒修饰的Cu网。与原始的Cu网相比，经过修饰的集流体具有较好的亲锂性。同时，其较大的比表面积减小了局部电流密度，有效缓解了锂金属在充放电过程中的体积膨胀问题。而且锂金属更倾向于在Cu网骨架孔隙处进行沉积，提高了孔隙利用率。在0.5mAcm-2的电流密度下，向Cu3P-Cu@Li电极沉积5mAhcm-2的锂金属时，未观察到明显的锂枝晶，Cu3P-Cu集流体有效调控了锂金属的沉积行为。在半电池体系中，面积电流为1mAcm-2，面积容量为1mAhcm-2的条件下Cu3P-Cu集流体循环320圈后，库伦效率高达98.45%。
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