化学专业-三维铜集流体改性及其在锂金属负极中的应用研究_第1页
化学专业-三维铜集流体改性及其在锂金属负极中的应用研究_第2页
化学专业-三维铜集流体改性及其在锂金属负极中的应用研究_第3页
化学专业-三维铜集流体改性及其在锂金属负极中的应用研究_第4页
化学专业-三维铜集流体改性及其在锂金属负极中的应用研究_第5页
已阅读5页,还剩26页未读 继续免费阅读

下载本文档

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

I第4章总结与展望4.1总结锂金属负极因其高理论比容量(3860mAhg-1)和极低氧化还原电位(-3.04Vvs.SHE),具有作为未来高能量密度电池核心材料的应用前景,但循环过程中锂枝晶的不可控生长和剧烈的体积膨胀阻碍了其商业化进程。为了应对锂枝晶和体积膨胀的带来的挑战,本文提出了一种Cu@Fe3O4@NiCo-LDH复合集流体。通过从结构角度设计三维铜框架并引入亲锂材料,该复合集流体可有效降低锂成核过电位、抑制枝晶生长并提升电池的循环稳定性。具体总结如下:本文主要讨论了三维集流体的构造和亲锂性材料的引入使得负极材料具有高亲锂性和高表面积的电化学优势,成功制备了Cu@Fe3O4@NiCo-LDH复合阳极,三维铜骨架具有高比表面积和足够的扩散通道,不仅能对电荷传输和传质进行有效平衡、实现锂的均匀沉积,也能充分适应锂沉积/剥离过程中的体积变化;在Cu@Fe3O4@NiCo-LDH中的异质结界面处形成了内建电场,可以驱动锂离子在异质结界面处的迁移,同时引入的亲锂性位点可降低成核过电位、促进锂的均匀成核。在上述协同作用下,Cu@Fe3O4@NiCo-LDH表现出了优异的电化学性能,半电池无论是在高电流密度还是高循环容量下,相较于裸泡沫铜,都能在更长的时间内保持较高的库伦效率,在对称电池体系中,也依旧表现出更稳定和更长的循环寿命,尤其是在1mAcm-2的电流密度和1mAhcm-2的循环容量下,Cu@Fe3O4@NiCo-LDH的对称电池在近1000h的超长循环寿命且电压滞后为17mV。Cu@Fe3O4@NiCo-LDH-Li与LFP组成的全电池不仅在0.5C充放电倍率下表现出优异的循环稳定性和较高的容量保持率,还具有优异且稳定的库伦效率,这说明了该材料在研究在实际应用拥有巨大潜力。4.2展望尽管本论文设计并制备的Cu@Fe3O4@NiCo-LDH三维亲锂性复合集流体在抑制锂枝晶生长、缓解体积膨胀以及提升电池循环稳定性方面取得了良好的实验结果,但是受制于时间及实验条件限制,依然存在诸多有待完善之处。未来的研究可围绕以下几个方面展开:1、目前研究主要通过性能测试和表征手段,初步分析了亲锂性改性对锂沉积行为的调控效果,但对于材料表面电子结构变化、界面锂离子迁移行为以及沉积过程中的动力学机制尚缺乏系统性理论支撑。后续可结合第一性原理密度泛函理论(DFT)计算,对Cu@Fe3O4@NiCo-LDH不同组成及表面构型下的电子结构、吸附能、成核能垒及锂离子迁移势垒进行定量模拟,明确亲锂性组分对锂离子成核和沉积动力学的微观调控机制。2、虽然采用三维框架结构有效降低了局部电流密度、缓解体积膨胀,并在长循环过程中表现出优异稳定性,但由于三维集流体具有较大的比表面积,其与电解液接触面积显著增加,导致循环过程中形成过量SEI膜,消耗更多电解液,影响电池的长期寿命。未来可以结合多策略协同调控,进一步优化界面化学稳定性,从多维角度共同抑制锂枝晶生长,提升复合阳极的长期循环性能。3、目前工作主要集中于扣式电池,测试条件下电流密度及容量水平均相对有限,与实际应用中的锂金属电池运行环境仍存在一定的差距。未来应基于实验室成果,开展Cu@Fe3O4@NiCo-LDH三维复合集流体在软包电池、柱状电池等实际电芯形态下的大电流、大容量循环性能研究,分析其在复杂工作环境中的电化学行为和形变规律。同时,从经济性和工艺可行性角度出发,探索该复合集流体的大规模制备工艺及成本控制策略,为其在高能量密度储能设备中的实际应用提供理论与技术支撑。综上所述,本论文工作为构建高效稳定锂金属复合阳极提供了新的设计思路与实验依据,但仍需在界面调控机制、动力学行为模拟以及实际应用体系验证等方面持续深入研究,为高安全性、高能量密度锂金属电池的工程化应用奠定坚实基础。参考文献LiuB,ZhangJG,XuW.Advancinglithiummetalbatteries[J].Joule,2018,2(5):833-845.YanX,LinL,ChenQ,etal.Multifunctionalrolesofcarbon‐basedhostsforLi‐metalanodes:areview[J].CarbonEnergy,2021,3(2):303-329.ChengXB,ZhangR,ZhaoCZ,etal.Towardsafelithiummetalanodeinrechargeablebatteries:areview[J].ChemicalReviews,2017,117(15):10403-10473.QianH,LiX.ProgressinfunctionalsolidelectrolyteinterphasesforboostingLimetalanode[J].ActaPhysChimSin,2021,37:2008092..ShenX,ZhangR,ChenX,etal.ThefailureofsolidelectrolyteinterphaseonLimetalanode:structuraluniformityormechanicalstrength?[J].AdvancedEnergyMaterials,2020,10(10):1903645.DahnJR,ZhengT,LiuY,etal.Mechanismsforlithiuminsertionincarbonaceousmaterials[J].Science,1995,270(5236):590-593.ZhangXQ,ChengXB,ZhangQ.AdvancesininterfacesbetweenLimetalanodeandelectrolyte[J].AdvancedMaterialsInterfaces,2018,5(2):1701097.TanJ,MatzJ,DongP,etal.AgrowingappreciationfortheroleofLiFinthesolidelectrolyteinterphase[J].AdvancedEnergyMaterials,2021,11(16):2100046.LiW,LuoP,ChenM,etal.HedgingLidendriteformationbyvirtueofcontrollabletipeffect[J].JournalofMaterialsChemistryA,2022,10(28):15161-15168.JäckleM,GroßA.Microscopicpropertiesoflithium,sodium,andmagnesiumbatteryanodematerialsrelatedtopossibledendritegrowth[J].TheJournalofChemicalPhysics,2014,141(17).ZhaiP,LiuL,GuX,etal.Interfaceengineeringforlithiummetalanodesinliquidelectrolyte[J].AdvancedEnergyMaterials,2020,10(34):2001257LiY,HuangW,LiY,etal.Correlatingstructureandfunctionofbatteryinterphasesatatomicresolutionusingcryoelectronmicroscopy[J].Joule,2018,2(10):2167-2177.LiuQC,XuJJ,YuanS,etal.Artificialprotectionfilmonlithiummetalanodetowardlongcycle-lifelithium-oxygenbatteries[J].AdvancedMaterials,2015,27(35):5241-5247.KazyakE,WoodKN,DasguptaNP.Improvedcyclelifeandstabilityoflithiummetalanodesthroughultrathinatomiclayerdepositionsurfacetreatments[J].ChemistryofMaterials,2015,27(18):6457-6462.WuM,WenZ,LiuY,etal.ElectrochemicalbehaviorsofaLi3NmodifiedLimetalelectrodeinsecondarylithiumbatteries[J].JournalofPowerSources,2011,196(19):8091-8097.WangL,WangQ,JiaW,etal.LimetalcoatedwithamorphousLi3PO4viamagnetronsputteringforstableandlong-cyclelifelithiummetalbatteries[J].JournalofPowerSources,2017,342:175-182.DudneyNJ.Additionofathin-filminorganicsolidelectrolyte(Lipon)asaprotectivefilminlithiumbatterieswithaliquidelectrolyte[J].Journalofpowersources,2000,89(2):176-179.KozenAC,LinCF,PearseAJ,etal.Next-generationlithiummetalanodeengineeringviaatomiclayerdeposition[J].ACSNano,2015,9(6):5884-5892.LiuY,LinD,YuenPY,etal.AnartificialsolidelectrolyteinterphasewithhighLi-ionconductivity,mechanicalstrength,andflexibilityforstablelithiummetalanodes[J].AdvancedMaterials,2017,29(10):1605531.ZhengG,LeeSW,LiangZ,etal.Interconnectedhollowcarbonnanospheresforstablelithiummetalanodes[J].NatureNanotechnology,2014,9(8):618.ZhuB,JinY,HuX,etal.Poly(dimethylsiloxane)thinfilmasastableinterfaciallayerforhigh-performancelithium-metalbatteryanodes[J].AdvancedMaterials,2017,29(2):1603755.YanK,LeeHW,GaoT,etal.Ultrathintwo-dimensionalatomiccrystalsasstableinterfaciallayerforimprovementoflithiummetalanode[J].NanoLetters,2014,14(10):6016-6022.BesenhardJO,WagnerMW,WinterM,etal.Inorganicfilm-formingelectrolyteadditivesimprovingthecyclingbehaviourofmetalliclithiumelectrodesandtheself-dischargeofcarbonLithiumelectrodes[J].JournalofPowerSources,1993,44(1-3):413-420.RyouMH,LeeYM,LeeY,etal.Mechanicalsurfacemodificationoflithiummetal:towardsimprovedLimetalanodeperformancebydirectedLiplating[J].AdvancedFunctionalMaterials,2015,25(6):834-841.YangG,LiY,TongY,etal.LithiumPlatingandStrippingonCarbonNanotubeSponge[J].NanoLetters,2018,19(1):494-499.ZhangR,ChengXB,ZhaoCZ,etal.Conductivenanostructuredscaffoldsrenderlowlocalcurrentdensitytoinhibitlithiumdendritegrowth[J].AdvancedMaterials,2016,28(11):2155-2162.ZhangY,LuoW,WangC,etal.High-capacity,low-tortuosity,andchannel-guidedlithiummetalanode[J].ProcNatlAcadSciUSA,2017,114(14):3584-3589.YangCP,YinYX,ZhangSF,etal.Accommodatinglithiuminto3Dcurrentcollectorswithasubmicronskeletontowardslong-lifelithiummetalanodes[J].NatureCommunications,2015,6:8058.YunQ,HeYB,LvW,etal.Chemicaldealloyingderived3DporouscurrentcollectorforLimetalanodes[J].AdvancedMaterials,2016,28(32):6932-6939.ZhaoH,LeiD,HeYB,etal.Compact3Dcopperwithuniformporousstructurederivedbyelectrochemicaldealloyingasdendrite-freelithiummetalanodecurrentcollector[J].AdvancedEnergyMaterials,2018,8(19):1800266YanK,LuZ,LeeHW,etal.Selectivedepositionandstableencapsulationoflithiumthroughheterogeneousseededgrowth[J].NatureEnergy,2016,1(3):1-8.YangG,ChenJ,XiaoP,etal.GrapheneanchoredonCufoamasalithiophilic3Dcurrentcollectorforastableanddendrite-freelithiummetalanode[J].JournalofMaterialsChemistryA,2018,6(21):9899-9905.Lu-LuW,Wei-WeiJ,Guo-YuD,etal.In-SituConstructionofCu3PNanoflakeArray@CuFoam3DFrameworksforHighPerformanceLi-MetalAnodes[J].CHINESEJOURNALOFINORGANICCHEMISTRY,2021,37(4):709-716.LiS,WangS,HuM,etal.ImprovingLianodeperformancewithCu@NCnanowiremodifiedCufoamasastable3D-Host[J].JournalofPowerSources,2025,642:236949.SandHJS.Ontheconcentrationattheelectrodesinasolution,withspecialreferencetotheliberationofhydrogenbyelectrolysisofamixtureofcoppersulphateandsulphuricacid[J].ProceedingsofthePhysicalSocietyofLondon,1899,17(1):496.YangS,ZhangZ,ZhouJ,etal.HierarchicalNiCoLDH–rGO/Nifoamcompositeaselectrodematerialforhigh-performancesupercapacitors[J].TransactionsofTianjinUniversity,2019,25:266-275.MoradiM,GhasemiS,MousaviF.One-potsynthesisofgraphenenanosheetsnickelcobaltLDHsnanocompositeforelectrocatalysisofoxygenevolutionreaction[J].DiamondandRelatedMaterials,2024,150:111738.KhataeeS,DehghanG,ShaghaghiZ,etal.AnovelbifunctionalelectrochemicalnanosensorforsimultaneousdetectionofglucoseandinsulinbasedonNiO/Co3O4@CuAlLDH-MWCNTnanocomposite-modifiedcarbonpasteelectrode[J].MicrochemicalJournal,2024,201:110644.XuJ,QiaoX,ArsalanM,etal.Preparationofonedimensionalsilvernanowire/nickel-cobaltlayereddoublehydroxideanditselectrocatalysisofglucose[J].JournalofElectroanalyticalChemistry,2018,823:315-321.SotilesAR,GomezNAG,dosSantosMP,etal.Synthesis,characterization,thermalbehaviorandexchangereactionsofnewphasesoflayereddoublehydroxideswiththechemicalcomposition[M+26Al3(OH)18(SO4)2].(A(H2O)6).6H2O(M+2=Co,Ni;A=Li+,Na+,K+)[J].AppliedClayScience,2019,181:105217.CaoX,LongF,ZhaiQ,etal.HeterogeneousNiandMoOxco-loadedCeO2catalystforthehydrogenationoffattyacidstofattyalcoholsundermildreactionconditions[J].Fuel,2021

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

评论

0/150

提交评论