| 锂金属电容器的设计及储能机制的研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 刘宝 | |
| Thesis Advisor | 阎兴斌 |
| 2021-05-18 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学博士 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| The second department | 无 |
| Keyword | 超级电容器 锂金属电容器 锂金属负极 储能机理 能量密度Supercapacitor Li-metal capacitor Li metal anode Energy storage mechanism Energy density. |
| Abstract | 锂离子电池和超级电容器分别代表两类具有特色的电化学储能器件。其中，锂离子电池工作电压高，在能量密度方面具有独特优势，是目前最有发展潜力的二次电池，然而其功率密度低、循环寿命短。与锂离子电池相比，超级电容器具有高的功率输出和长的循环寿命，但是其能量密度远低于锂离子电池。在这种背景下，锂离子电容器巧妙地集成了锂离子电池型负极和电容型碳正极，有望同时继承锂离子电池的高能量密度和超级电容器的高功率密度。经过二十多年的努力，通过发展新的材料体系和设计技术，使得锂离子电容器的整体性能得到了很大的提升。值得注意的是，受电容型正极储能机制的限制，目前最先进的锂离子电容器的能量密度正在接近它们的极限，但仍然远低于锂离子电池的能量密度。随着先进电子器件的飞速发展，设计出比锂离子电容器具有更高能量密度、和超级电 容器具有相当功率密度的新型电化学储能系统迫在眉睫。基于这点，本文通过引进先进的锂金属负极构筑了先进的锂金属电容器。通过分析不同电位区间锂金属电容器的比电容和能量密度的相互关系，找到了具有最佳性能的有效工作电化学工作窗口，并系统研究了循环过程中锂负极界面演变。在此基础上，我们结合电化学表征、理论模拟和实验分析揭示了锂金属电容器的工作机制。进一步，通过 设计三维亲锂的集流体制备了无枝晶和资源有效的三维锂复合物负极，最终组装的锂金属电容器实现了增强的倍率性能和循环稳定性以及安全性。具体研究内容如下： 一、通过结合锂金属负极和多孔三维骨架碳材料构筑了锂金属电容器。通过研究金属锂电容器的低截止电压、比电容和可逆性之间的关系，发现增大锂金属电容器的低截止电压可以提高金属锂电容器的比电容和能量密度。在 1.5-4.3 V(vs. Li/Li + ) 的宽电位范围内，基于正极的锂金属电容器的比电容可达 280 F g-1 ， 其能量密度可达 633 Wh kg-1 。通过分析锂金属电容器循环过程中锂金属负极的界面演变，发现该器件在前期循环过程中产生了大量锂枝晶，然后逐渐转化为多孔层“死锂”层，从而增加了界面阻抗和活性锂的损失。虽然锂金属电容器实现了超高的能量密度，但锂枝晶的形成也带来了安全隐患和器件的过早失效。 二、结合电化学表征、理论模拟和实验分析，我们发现，锂金属电容器的超高能量密度主要来自于碳正极的多重双电层机制。在充放电过程中，锂负极仅发生了简单的锂沉积和剥离化学，正极经历了PF6-阴离子的吸附/脱附 (开路电压以上)、PF6-阴离子与溶剂化 Li+ 阳离子团簇的交换以及溶剂化 Li+ 阳离子团簇的脱附/吸附 (开路电压以下)。这种多重双电层机制和低电流密度下的去溶剂化可以显著提高锂金属电容器在 1.5-4.3V 电压窗口内的比容量和能量密度。这与所报道的锂离子电容器的机制完全不同。 三、金属负极的应用受到锂枝晶形成的困扰，导致了锂金属体积的不可控膨胀，存在安全隐患甚至过早失效。为此，我们报道了一种基于无枝晶和资源高效的、具有强健固体电解质界面 (SEI) 的三维 Li 复合负极的高性能锂金属电容器。构筑的锂金属电容器实现了 492 Wh kg-1 的能量密度和 28.5 kW kg-1 的功率密度。 能量密度的值是目前性能最好的锂离子电容器的 1.8 倍。而且，锂金属电容器的循环寿命可以延长到 2500 圈。为了进一步评估锂金属电容器的整体性能，采用无锂枝晶的柔性碳纳米管膜作为集流体，基于整个器件质量构建的锂金属电容器仍然具有 115.6 Wh kg-1的高能量密度。 |
| Other Abstract | 无 |
| Pages | 112 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/30000 |
| Collection | 清洁能源化学与材料实验室 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 刘宝. 锂金属电容器的设计及储能机制的研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2021. |
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