2025【激光造孔三维集流体构建多电子孔隙结构方法研究8900字】.doc

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激光造孔三维集流体构建多电子孔隙结构方法研究

内容摘要：随着生活水平的提高，人们对轻小型高能量电储能的需求越加强烈，然而现有的锂电池已经无法满足人们需要。金属锂具有高容量（3860mAhg-1），低电位等优点，是一种理想的负极材料。本论文提出激光造孔三维集流体的方法，构建多电子孔隙结构，如镂空的蜂巢结构一般，拥有很高占比表面积，增大电子沉积位点，大幅度降低了局部电流密度，均匀场强，同时也防止了SEI膜的刺穿，抑制锂枝晶的形成与生长，提高化学稳定性与电池循环寿命。

关键词：二次电池；锂金属的负极材料；激光造孔三维铜集流体；锂枝晶；均匀沉积

目录

TOC\o1-2\h\u31154第一章绪论 4

36871.1引言 4

75481.2Li负极简介 5

5961.3锂金属负极的研究进展 8

59641.4本论文研究内容及意义 9

14732第二章激光造孔三维集流体的构筑设计 10

38762.1构筑设计思路 10

59582.2创新点及主要研究内容 10

27214第三章激光造孔三维集流体的制备及表征 11

236473.1实验原料及仪器设备 11

318393.2激光造孔三维集流体的制备方法 12

211783.3激光造孔三维集流体的表面形貌观测及分析 13

8644第四章激光造孔三维集流体的电化学性能测试及分析 14

78714.1极片制备及扣式电池组装 14

21044.2循环性能与库伦效率分析 15

3714第五章全文总结与展望 17

183515.1总结 17

152275.2展望 17

23182参考文献 19

第一章绪论

1.1引言

由于世界经济社会的蓬勃发展,以及总人口总量的迅速增加,对各种资源的需要量也在不断的提高,而随之面临的就是化石资源的快速损耗和对自然环境的严重污染，这些问题急需解决。因此发展诸如风能、太阳能、核能等清洁能源的局势迫在眉睫。但是这些清洁能源一方面受到地理位置、气候条件等限制。另一方面发电无法做到实时性，往往是用电高峰时发电量低，用电量低谷时发电量高，做不到持续稳定高效输出。而二次电池恰恰可以利用氧化还原的不断变化实现电能的储存与释放。不过传统的石墨电池存在耗能大、利用效率差、能量密度低等问题，这显然无法满足电子产品对电池的小型化、续航能力强的需求。所以基本被体积小、能量密度高的锂电池替代。在1991年，Sony公司研发出了第一款商用锂金属电池，由此开始了二次Li电池的天下。因为Li+电池具备电压高、电能密度系数极高、自放电性小、周期频率高、价格便宜、无记忆效应、生命周期长等特性，因此形成了目前综合性能最良好的动力燃料电池体系[1]。充分应用于轻小型电子产品、电动汽车、源网荷储等领域，极大的推动了社会的进步，方便了人们的生活，应用于生活中的方方面面，随处可见。

经过多年的发展，Li+电池技术得到飞速发展，但受传统材料的理论容量限制，Li+电池能量密度已经达到了理论极限值200-250Whkg-1。在过去的几十年里，相继有18650电池的研发，但是能量密度仅仅提高了三倍[3]，依旧满足不了电动汽车、航空航天等方面对电池需求的计划。在美国的“Battery500”计划以及日本的“RISINGⅡ”计划之后，中国也提出了“中国制造2025”计划[4]，这也就让中国人关注到了金属负极材质。其中，锂负极很高（3860mAhg-1）、低密度、低氧化还原从而引起了注意。

但是，锂作为活泼的碱性金属，其化学性质及其不稳定，在循环中体积很容易变大、形成锂枝晶刺破SEI。由于SEI反复断裂重新生成，大量损耗了金属锂和电解质溶液，从而产生大量死锂，大大降低了使用年限、库伦效率。同时也存在锂枝晶刺破SEI导致短路的发生，甚至造成严重火灾安全事故。例如2022年2月载有数千辆豪车的货轮在大西洋烧沉，主要原因就是锂电池不易熄灭。因此，如何提高锂电池负极的能量密度，锂电池的安全性以及使用寿命成为了二次电池的关键技术。

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1.2Li负极简介

1.2.1Li+电池负极的发展

从1972年至2019年将近50年中，Li+二次电池得到了飞速的发展。其中Goodenough、Whittingham和Yoshino三位科学家也因为推动了Li电池的技术革新而获得了2019年度诺贝尔化学奖。

图1-1从1972年到2019年二次电池发展的时间线[5]

如图1-1，二次电池锂电池的发展开始于Li负极，初始时期，Li+电池所用的负极一般都是石墨