纳米电池组装与金属锂电池充电方式研究

论文摘要

能源危机和环境保护问题的日益严峻,便携设备的飞速发展,使二次电池面临重大的挑战。电池是否能满足高能、轻量、安全、环保的要求是决定其能否占领市场的重要条件。金属锂具有最负的电极电位和最高的比容量,是极佳的负极材料。但由于充电时容易产生锂枝晶,引起安全性差和循环寿命短等问题,限制了其在商品化电池中的应用,抑制锂枝晶的产生和生长具有重大意义。随着微型用电器件的发展,微型电池也倍受人们的关注。厚度在微米级的超薄电池已见报道,并正在向市场化方向迈进。微型电池的下一代新型科技成果必将是体积更小的纳米电池。由于纳米级别尺寸的限制,纳米电池的组装过程与普通电池将会有较大差异。如何组装尺寸在纳米级且还能保持一定电性能的纳米电池,这是一个崭新的课题。为此,本论文主要针对上述问题进行了研究,并取得以下成果:1、将模板法与电化学方法相结合,利用阳极氧化铝模板（AAO）,成功组装了纳米尺寸的电池。通过在0.2M、0.4M和饱和草酸（约0.5M）溶液中制备阳极氧化铝模板,将所得到的模板孔径进行比较后发现,酸的浓度对模板的孔径、孔率均不产生明显的影响。所得模板的孔径为100nm,孔率约为71.4%。本文利用循环伏安法,提出了一个测算模板有效孔率的方法。利用这个方法,可以快速计算出模板实际的通孔程度,这个方法可以推广应用到检测模板是否完全开孔。组装了纳米聚吡咯/TiO2/聚苯胺电池,其直径为80nm,长度约为500nm,并对其进行了初步的充放电测试。用二种方法在AAO模板的纳米孔中加入Zn,组装了Zn/TiO2/MnO2纳米电池,以0.1nA电流放电,电池的放电电压约为1.1V,每个纳米电池的容量约0.1nAs。组装了Zn/TiO2/AgO纳米电池,在0.1nA电流充放电情况下,电池的充放电平台分别在1.6V和1.5V,充放电性能正常,每个纳米电池的容量约为0.083nAs。2、通过双向脉冲充电的方法抑制了锂金属电极表面枝晶的产生。原位显微镜观察结果表明,在0.2mA/cm2的电流密度下对锂负极进行脉冲电流充电,充电量达到0.32mAh/cm2时,锂负极表面仍无枝晶生成。而在相同电流密度的直流充电条件下,同样充电量时锂金属表面即产生明显的树状枝晶。交流阻抗实验从比较表面积证实,双向脉冲充电方法充电有抑制锂枝晶生长的作用。采用双向脉冲充电方式对由0.3mgLi和50mgLiCoO2组成的的锂电池充放电过程中,电池能循环120圈以上,而用相同电流密度的直流电进行充放电时,电池循环37圈后就不能充放了。论文讨论了二种充电方法对上述电池充电寿命和效率影响的机理。XRD和交流阻抗谱均验证了双向脉冲充电方式对金属锂二次电池性能改进源于该技术对锂枝晶的抑制作用。此外,本文还针对脉冲电流充电方式对锂枝晶的抑制作用提出了初步的解释。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 第一节 微米电池和纳米电池
• 1.1 微型电池的发展概况
• 1.1.1 微型锌镍电池
• 1.1.2 微型全固态电解质锂电池
• 1.1.3 微型太阳能电池
• 1.1.4 "三维"微电池阵列
• 1.2 模板法制备纳米阵列材料
• 1.3 常用模板
• 1.3.1 阳极氧化铝模板
• 1.3.2 高分子模板
• 1.4 导电高分子材料
• 1.4.1 导电高分子的应用
• 1.4.2 导电高分子的导电机理
• 1.4.3 聚合物掺杂的机制
• 1.4.4 导电聚合物电化学性质
• 第二节 金属锂二次电池及锂枝晶问题
• 2.1 锂金属负极的优缺点
• 2.2 改善锂金属负极性能的研究
• 2.2.1 替代负极研究
• 2.2.2 采用固体电解质和离子液体电解液
• 2.2.3 电解液添加剂控制表面形貌
• 2.3 脉冲电沉积应用概述
• 2.4 双向脉冲充电技术在锂金属电池中的应用
• 第三节 论文研究的目的
• 参考文献
• 第二章 纳米电池组装及性能研究
• 第一节 前言
• 第二节 实验部分
• 2.1 主要实验试剂和仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 实验内容
• 2.2.1 阳极氧化铝（AAO）模板的制备
• 2.2.1.1 阳极氧化铝（AAO）模板的制备
• 2.2.1.2 带导电层的AAO电极模板的制备
• 2.2.2 模板有效孔率的测定
• 2.2.3 纳米电池的组装
• 2/聚苯胺电池的组装'>2.2.3.1 纳米聚吡咯/多孔TiO₂/聚苯胺电池的组装
• 2/MnO₂电池的组装'>2.2.3.2 纳米Zn/TiO₂/MnO₂电池的组装
• 2/AgO电池的组装'>2.2.3.3 纳米Zn/TiO₂/AgO电池的组装
• 2.2.4 聚吡咯、聚苯胺纳米电极的红外光谱观测
• 2.2.5 纳米电池形貌测试
• 2.2.6 纳米电池放电性能分析
• 第三节 实验结果与讨论
• 3.1 阳极氧化铝（AAO）模板孔径研究
• 3.2 阳极氧化铝（AAO）模板有效孔率测定
• 2/聚苯胺电池'>3.3 纳米聚吡咯/TiO₂/聚苯胺电池
• 3.3.1 纳米聚苯胺和纳米聚吡咯纤维电极的红外光谱分析
• 3.3.2 纳米聚苯胺和纳米聚吡咯纤维电极的电化学性能
• 3.3.3 纳米电池形貌测试
• 3.3.3.1 偏光显微镜结构分析
• 3.3.3.2 TEM和AFM形貌分析
• 2/聚苯胺电池性能'>3.3.4 纳米聚吡咯/TiO₂/聚苯胺电池性能
• 2/MnO₂电池'>3.4 纳米Zn/TiO₂/MnO₂电池
• 2/AgO二次电池'>3.5 纳米Zn/TiO₂/AgO二次电池
• 小结
• 参考文献
• 第三章 金属锂二次电池充电方式研究
• 第一节 前言
• 第二节 实验部分
• 2.1 实验主要试剂及仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 实验内容
• 2.2.1 实验材料的制备和实验装置的组装
• 2.2.1.1 两电极电解池的制备和组装
• 2.2.1.2 扣式电池的组装
• 2.2.1.3 三电极管的组装
• 2.2.2 电池性能研究
• 2.2.2.1 充电制度
• 2.2.2.2 电极表面形貌变化的观测
• 2.2.2.3 充电方式对电池寿命的影响
• 2.2.2.4 XRD测试
• 2.2.2.5 交流阻抗测试
• 第三节 实验结果及讨论
• 3.1 充电过程中电极表面形貌变化
• 3.2 不同充电方式下电极充电过程的交流阻抗研究
• 3.3 充放电过程中电极表面形貌变化观测
• 3.4 不同充电方式下界面阻抗随循环次数的变化
• 3.5 充电方式对金属锂电池寿命的影响
• 小结:
• 参考文献
• 科研成果:
• 致谢