编号：CYYJ04612
篇名： 硅基负极与硫化物电解质膜设计及其固态锂电池性能研究
作者： 李兴杰
关键词： 硫化物固态锂电池; 负极材料; 硅; 原子层沉积; 复合电解质薄膜;
机构：武汉理工大学
摘要： 便携式电子设备和电动汽车等领域的不断发展,对锂离子电池的能量密度和安全性提出了更高的要求。然而,传统的液态电解液锂离子电池存在潜在的安全风险和能量密度不足的问题。无机固态电解质不仅可以从根本上解决其易燃易爆问题,还对高比容锂金属负极表现出更好的兼容性,有望实现更高的能量密度。其中硫化物固态电解质因其具有高离子电导率而受到广泛关注,但较低比容量的负极和较厚的电解质层严重限制了硫化物全固态电池的实际能量密度。针对这些问题,本论文采用碳纳米管浆料实现无需额外粘结剂硅基负极的制备,并进一步通过原子层沉积技术构建人工固态电解质界面层,有效提高了硅基电极电子电导率且避免了界面副反应。通过引入聚合物制备硫化物复合薄膜固态电解质,显著降低了电解质层厚度,提升了硫化物全固态电池的实际能量密度。具体研究内容如下: （1）将微米硅粉与水基碳纳米管分散体充分混合形成均匀浆料,在铜箔上涂布干燥后,进一步使用原子层沉积技术制得具有氧化铝表面包覆层的硅基负极材料。三维交联的碳管网络在电极内部构建了快速的电子传输通道,提高了电极整体的电子电导率。相较于传统的纯硅电极,机械强度也有较大提高。氧化铝人工界面层有效避免了碳与硫化物电解质的界面副反应,确保了锂离子的稳定传输。通过恒电流充放电测试,具有界面改性的复合硅电极在倍率为0.1 C、0.2C、0.3 C、0.5 C和1 C时分别表现出2640.6、2265.6、1963.9、1478.2和752.5mAh g-1的比容量;当测试倍率恢复到0.1 C时,仍具有2402.1 mAh g-1的高比容量,展现优异的倍率性能。与之对比,未保护的电极上述倍率下分别仅有2538.8、2056.8、1384.3、774.8和252.6 mAh g-1的较低比容量。改性电极在0.1 C倍率的循环性能测试中,第100圈和500圈时分别具有2298.4 mAh g-1、975.5 mAh g-1的高比容量,容量保持率分别为92.4%和39.2%,表现出了良好的循环稳定性。 （2）在Li6PS5Cl电解质中引入PVDF-HFP基高盐聚合物电解质作为粘结剂,纳米六方氮化硼作为机械增强填料,通过湿法浆料涂敷法制得厚度小于100μm,离子电导率为1 mS cm-1的硫化物复合薄膜固态电解质。均匀分布的离子导体聚合物粘结剂在硫化物电解质粉末间构建了额外的离子传输通道,有利于改善硫化物电解质薄膜的离子传导。纳米六方氮化硼提升了硫化物电解质薄膜的杨氏模量,使得Li|Li对称电池实现了250小时的稳定循环。由该电解质组装的NCM811|Li-In半电池在0.1C的倍率下表现出183.1 mAh g-1的高放电比容量,在经过100圈循环后仍保持有177.1 mAh g-1,容量保持率高达96.7%。进一步使用NCM811高比容正极和复合薄膜电解质,搭配界面改性的硅负极组装成全电池,表现出181.55 mAh g-1的首圈放电比容量和187.8 Wh kg-1的初始能量密度,有效提高了器件能量密度。此外,由该复合电解质薄膜组装的袋式电池在折叠、穿刺和剪切的极端条件下仍能正常工作。