《Li+/Li電對電化學氧化還原動力學行為研究》是依託北京理工大學，由張存中擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：Li+/Li電對電化學氧化還原動力學行為研究
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：張存中
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
由於鋰空氣電池、鋰硫電池有出色的高能量密度特點，近些年得到廣泛關注和迅速發展。圍繞這兩種鋰電池的安全性和循環效率，本申請將對電化學氧化還原過程中金屬鋰電極表面不均勻因素的發生、發展和鋰離子在電解質中的傳質行為以及它們之間的相互作用進行研究，重點是藉助微電極/超微電極的獨特優勢(低的iR降、回響時間短、信噪比高等)對Li+/Li電對電化學氧化還原總過程進行解析，在各種電解質條件中得到Li+/Li電化學氧化還原總過程中各個基本步驟(鋰離子傳質、電荷轉移、電化學結晶、金屬鋰腐蝕等)動力學行為特徵及相關變化規律，闡明電解質的各種關鍵成分(溶劑、添加劑、支持鹽、聚合物等)與各個基本動力學步驟的關係，將基本步驟的動力學行為與高倍率光學顯微鏡和掃描電鏡現場觀測結果進行結合，從複雜過程中基本步驟動力學行為的層面上闡明鋰枝晶形成和生長、電極循環容量衰減的原因與機理。
結題摘要
由於Li-O2電池和Li-S電池體系具有極高的能量密度，發展二次Li-O2電池和二次Li-S電池成為當今的研究熱點。此外，由高鎳三元正極、鎳鈷鋁正極分別與金屬鋰也將可能組成能量密度超過400wh/kg的二次電池。這些電池體系均以金屬鋰作為負極，金屬鋰負極上發生電化學反應(電化學沉積反應/電化學溶解反應)以及化學反應(自腐蝕反應等)是影響二次鋰電池安全性、循環穩定性的根本原因與過程。這些過程的動力學行為、機理又受到使用條件(極化電流密度、溫度等)和製造條件(電解液成分)的直接控制。本申請在一些典型電解液條件下研究了金屬鋰沉積溶解的動力學過程與機理，測量了有關動力學參數，闡明了部分條件下金屬鋰循環穩定性與動力學機制、動力學參數的關係。取得的主要結果如下： 1、在不同電流密度條件下研究了碳酸酯電解液中金屬鋰的沉積溶解行為，發現沉積溶解電流密度對金屬鋰的循環穩定性有顯著影響，在相對中等的電流密度條件下金屬鋰負極有較高的庫倫效率。 2、在很低的電流密度條件下，容易形成粗大結晶，從而導致形成死鋰；而在相對較高的的電流密度下，形成絨毛狀結晶，這種金屬鋰沉積層的化學穩定性很活潑，與電解液的相容程度非常低，易於與電解液發生反應形成SEI膜。 3、形成SEI膜既有不利的一方面也有有利的一方面。不利的是消耗金屬鋰、消耗電解液並且增大電池內阻；有利的一方面是可以促使金屬鋰表面形成高質量SEI膜，加速金屬鋰達到穩定狀態，提高循環穩定性和庫倫效率。 4、初步研究了不同電流密度下金屬鋰的電化學結晶動力學行為，結果發現，在低電流密度條件下電化學結晶以三維連續成核為主，高電流密度條件下以三維瞬時成核為主。成核速度常數與成核數量均與極化電流密度成正比。並且發現沉積層的自腐蝕速度常數也與沉積層形成過程中的成核速度常數、成核數量直接相關。 5、研究了不同溶劑、支持鹽對Li+/Li電對電荷轉移步驟、離子傳質步驟的影響，結果表明：對於電荷轉移步驟來講，在呋喃溶劑中Li+/Li電對的交換電流密度較低，而在碳酸酯溶劑中Li+/Li 電對的交換電流密度較高；對於傳質步驟來講，呋喃溶劑中Li+的擴散係數較低，遷移數較大；而碳酸酯中Li+的擴散係數較高，遷移數較低。總之,溶劑對鋰離子傳質行為、電荷轉移動力學行為有顯著影響，而支持鹽影響不明顯。
