摘要
传统锂离子电池中石墨负极的实际比容量已经接近其理论极限值，无法满足远程电动汽车和大型电力储能系统等领域对于高能量密度电池的迫切需求，因此亟需开发更高性能的负极材料。锂（Li）金属负极具有极高的理论比容量（3860mAhg-1）和最负的电势（-3.040Vvs.标准氢电极），被认为是下一代高能量密度锂电池理想的负极材料。然而，在循环过程中锂金属负极会出现严重的界面副反应、巨大的体积膨胀、不稳定的固态电解质界面膜（SEI膜）、不可控的枝晶生长和“死锂”等问题，导致电池库仑效率低、循环寿命短，甚至会带来安全隐患，这极大地阻碍了其实际应用。如何有效地克服上述问题并提升锂金属负极的综合电化学性能是锂金属电池实用化的关键所在。本论文从界面工程的角度出发对锂金属负极进行改性，具体研究内容包括以下两个方面: （1）将三维框架与界面工程相结合，通过简单的溶液浸渍法在三维铜网（Cumesh）上修饰一层亲锂、导Li+的聚乙烯醇（PVA）人工界面层，并将这种PVA-Cumesh电极用作锂金属负极的三维宿主。通过形貌表征和电化学性能测试等手段，系统研究了二维铜箔（Cufoil）、三维铜网（Cumesh）和聚乙烯醇人工界面层修饰的三维铜网（PVA-Cumesh）的电化学性能。研究结果表明，相比于二维铜箔集流体，三维铜网具有较大的比表面积和储锂空间，能够有效降低电极局域电流密度和缓解循环过程中的体积变化。然而由于Cu本身亲锂性较差且本征SEI膜不稳定，Li金属在Cumesh电极上形核和沉积并不均匀，锂枝晶生长和界面副反应问题依然严峻。通过引入亲锂、导Li+的PVA界面层能够有效弥补Cumesh本身的缺陷。一方面，PVA界面层在电池循环过程中能够作为稳定且具有较高离子导率的人工SEI膜，隔绝Li金属和电解液的直接接触，从而降低界面副反应。另一方面，由于PVA中丰富的羟基（-OH）官能团与Li原子之间具有较强的结合能，PVA表现出较好的亲锂性，亲锂的PVA界面层能够调节Li金属在三维铜网上的沉积行为。在Li沉积过程中，Li+通过电绝缘的PVA界面层在导电铜基底上获得电子并被还原为Li原子，然后Li原子在PVA中-OH官能团的引导下在三维框架上均匀沉积，从而有效抑制了锂枝晶的生长。结合三维铜网和PVA人工界面层的优势，PVA-Cumesh电极用作锂金属负极的三维宿主能够同时缓解体积膨胀、抑制锂枝晶生长、稳定SEI膜并降低界面副反应，从而有效提升了锂金属负极的综合电化学性能。 （2）通过简单的刮涂法将纳米硅粉涂覆在商业聚丙烯（PP）隔膜上，获得纳米硅涂层改性隔膜（Si-PP）。颗粒分布均匀的纳米硅涂层能够均匀化Li+通量，从而调节Li金属在电极上的形核与沉积行为。此外，纳米硅大的比表面积和颗粒之间丰富的孔隙增大了涂层与电解液的接触面积，提高了Si-PP隔膜整体对电解液的润湿性。研究结果表明，这种Si-PP隔膜用于锂金属电池有助于促进Li金属的均匀沉积，缓解锂枝晶的生长，从而提升电池的库仑效率和循环寿命。
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