摘要
锂离子电池(LIBs)由于能量密度的限制和电解液带来的安全问题。逐渐不能满足目前社会活动日益增长的需求。锂金属由于其高能量密度(3860mAhg-1)和低电化学势(-3.040Vvs.标准氢电极)使锂金属电池(LMBs)成为有希望的候选者。但锂金属负极存在体积应变大、锂枝晶穿刺、界面不稳定等问题。针对这些问题，本文采用MXene包覆集流体以及固态电解质掺杂改性进行研究。 MXene包覆集流体改善锂金属电池性能研究。MXene碳化钛(Ti3C2)是一种类似于石墨烯的二维材料，具有优异的导电性。通过浆料涂覆将Ti3C2修饰在Cu箔上并通过预沉积锂得到锂金属负板。通过XPS分析Li@Ti3C2复合锂金属负极表面的化学组分，结果表明锂已经成功地在Ti3C2的亲锂层中形成。电化学性能测试结果表明。Ti3C2修饰可有效缓解锂枝晶的生长和更好地适应循环产生的体积变化。首先，Ti3C2中存在大量的氟端基，可在锂金属负极和电解质界面处形成均匀、致密、稳固的富氟化锂界面，均匀化锂离子的迁移；其次，水平排列的Ti3C2层可诱导锂在集流体上水平生长，限制其垂直生长；最后，Ti3C2与石墨相比具有接近3倍大的纳米层间距，可以增强锂离子的嵌入和脱出，提供了一个快速的e-/Li+通道，使电极能够更好的适应体积变化。电流密度为0.5mAcm-2时，锂离子沉积在Ti3C2表面的成核过电势是20.7mV，而沉积在铜箔表面是29.2mV。Li@Ti3C2/Li半电池在比面积容量1mAhcm2-，电流密度2mAcm-2下稳定循环超过1000圈，过电位不超过70mV。当Li@Ti3C2/LFP全电池以1C的倍率循环时，电池初始的放电容量为157mAhg-1，100周之后的容量保持率为70%。 Ta离子掺杂Li7La3Zr2O12(LLZO)电解质改性研究。石榴石固态电解质具有与锂金属负极接触化学稳定性高，离子电导率高(10-3-10-4scm-1)和电化学窗口宽(＞5Vvs.Li/Li+)等优点。在石榴石电解质中，Li7La3Zr2O12电解质被认为是最有应用前景的电解质，高机械模量的固态电解质还可以作为一种替代的机械屏障来阻止锂枝晶的生长。采用高温固相法制备Ta离子掺杂LLZO陶瓷电解质(Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12)，优化烧结工艺参数。研究结果表明，烧结温度和保温时间对烧结产物的致密度有着至关重要的影响。XRD和SEM测试结果表明，理想的烧结温度是1150℃，理想的保温时间是12h。ICP-OES测试结果显示，随着烧结温度的升高和保温时间的延长，有更多的锂逸出。这是因为锂原子半径较小，会大量蒸发散逸而离开反应体系。此时，LLZTO的立方相结构就无法稳定，只有生成不含锂元素的La2Zr2O7来进行锂的平衡，而La2Zr2O7的存在会大大降低LLZTO的离子传导性能。 综上，论文从电极设计和固态电解质两个角度对锂金属负极存在问题进行了改性研究。结果表明，MXene包覆集流体能改善锂金属的沉积，优化LLZTO的烧结工艺参数后得到较高致密度。
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