一种利用洛伦兹力消除锂枝晶生长的方法技术

本发明专利技术公开一种利用洛伦兹力消除锂枝晶生长的方法，主要步骤如下：首先采用液态电解质体系，在惰性气体氛围内组装电池；其次将组装电池置于磁场内部，使电池内部电极平面和磁感线保持角度范围在0‑90°；然后在磁场强度范围在0‑1.5T下进行电化学性能测试，收集、比较、分析电化学数据；再次，对循环之后的电极表面进行SEM表征，观察比较电极形貌演变；最后选取磁体置于电池内部，组装电池，分析比较电化学性能。本发明专利技术将磁场直接引入电化学过程，利用运用的Li

A Method of Eliminating Lithium Dendrite Growth by Lorentz Force

The invention discloses a method for eliminating lithium dendrite growth by Lorentz force. The main steps are as follows: firstly, a liquid electrolyte system is used to assemble the battery in an inert gas atmosphere; secondly, the assembled battery is placed in a magnetic field, so that the angle range of the electrode plane and the magnetic inductance line in the battery is 0 90 degrees; and then the electrochemical performance is tested in a magnetic field intensity range of 0 1.5T. The electrochemical data were collected, compared and analyzed. Thirdly, the surface of the electrodes after cycling was characterized by SEM to observe and compare the evolution of the morphology of the electrodes. Finally, the magnets were placed in the battery and assembled to analyze and compare the electrochemical performance. The magnetic field is directly introduced into the electrochemical process, and the applied Li is utilized.

【技术实现步骤摘要】
一种利用洛伦兹力消除锂枝晶生长的方法
本专利技术涉及锂金属电池制备
，具体涉及一种通过洛伦兹力影响Li+运动，进而消除枝晶生长的金属锂电池技术，更具体地，涉及外加场对电化学过程进行影响，通过调控Li+的运动，促使其沉积分布更加均匀化的方法。
技术介绍
在过去的几十年里，基于锂离子的可充电电池在便携式电子产品、电动汽车和智能电网存储系统中得到了蓬勃发展[1]。理论比容最高(3860mAhg-1)和负电化学势最低(-3.04Vvs.标准氢电极)的特点使Li成为阳极的“圣杯”[2]。锂金属电池，如Li-S和Li-O2电池被认为是下一代高能量密度系统的候选电池。虽然自20世纪70年代以来，锂金属电池的研究工作已经做了很多，但其大规模应用仍受到树枝状晶体生长失控的阻碍。在导致锂枝晶问题的诸多原因中，尖端诱导枝晶生长是主要原因之一。突起尖端的局部电场大于光滑部分周围的局部电场。聚集的Li+会促进尖端Li金属的生长，从而导致不均匀沉积，形成苔藓状/树枝状Li。。人们提出了许多抑制树枝状晶形成的策略，包括锂阳极的结构设计或表面处理[3]、电流集电极的构造或修饰[4]、修饰隔膜或插入界面层[5]、采用高盐浓度电解质或添加剂[6]、利用固体电解质[7]以及其他方法。针对上述尖端诱导枝晶生长问题，我们将磁场引入电化学过程中，通过利用Li+在磁场中运动所产生的洛伦兹力来控制锂离子的分布，消除尖端枝晶的生长。首先，该工作对洛伦兹力影响Li沉积行为的机理进行了推测和分析。通过调节电流密度和磁通强度，对其形貌演变和电化学性能进行了监测，并讨论了两者之间的关系。同时通过建立数学模型模拟了沉积Li的形貌变化，并用COMSOL进一步模拟了Li沉积的形貌变化。为验证磁场稳定锂金属阳极的实际应用，利用永磁体组装了可以实用化的扣式电池。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种利用洛伦兹力消除锂枝晶生长的方法，通过在电化学过程中引入磁场，使得Li+在耦合场中的运动轨迹受到洛伦兹力的作用而发生偏转，避免金属锂在尖端部分聚集沉积，进而均匀化金属锂的沉积分布，从而消除锂枝晶生长。该方法可以实际应用于锂金属电池，提升电池的能量密度以及循环稳定性。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种利用洛伦兹力消除锂枝晶生长的方法，包括步骤如下：1)采用液态电解质体系，在惰性气体氛围内组装电池；2)将组装电池置于磁场内部，使电池内部电极平面和磁感线保持角度范围在0-90°；3)在磁场强度范围在0-1.5T下进行电化学性能测试，收集、比较、分析电化学数据，；4)对循环之后的电极表面进行SEM表征，观察比较电极形貌演变；5)选取磁体置于电池内部，组装电池，分析比较电化学性能。所述步骤1)中惰性气体氛围选自氩气氛围，水含量低于2ppm，氧含量低于2ppm。所述步骤1)中电解质体系为有机体系电解液或固态电解质。所述步骤2)中组装电池为对称电池或全电池。所述步骤3)中磁场为永磁体产生的磁场或电磁铁产生的磁场。所述步骤5)中电化学性能测试包括但不限于循环充放电，电化学阻抗谱图测试。有益效果：利用该方法将磁场直接引入电化学过程，利用运用的Li+受到的洛伦兹力，消除Li+在尖端部位的聚集沉积现象，避免枝晶的产生。利用该方法，电池的容量以及循环稳定性均得到了提升，具体如下：1、利用该方法将磁场直接引入电化学过程，利用运用的Li+受到的洛伦兹力，消除Li+在尖端部位的聚集沉积现象，避免枝晶的产生。利用该方法，电池的容量以及循环稳定性均得到了提升。2、利用该方法，减小了锂阳极表面的粗糙度，缓解了电极体积波动，稳定了固体电解质间相(SEI)，提升了库仑效率(CE)，延长了电池循环寿命，有效避免了枝晶刺穿电池隔膜，引发短路，提升了安全性。3、本专利技术创新性地提出利用外加物理场的方式对电化学过程进行调控和优化，无需向电化学体系中引入其它任何化学物质或者向该体系额外提供能量，而且该物理场可以规避电解液体系、电极材料种类、电池类型等条件的限制，具有极大的普适性，可以拓展到各种电化学体系，为获得高能量密度金属电池体系提供了新的思路。附图说明图1为实施例1电池在磁场中测试的示意图：A为纽扣电池在磁场中循环充放电的示意图；B为纽扣电池在磁场中循环充放电的实物图。图2为实施例1有/无磁场加入对金属锂沉积形貌的影响对比：A为无磁场作用下，金属锂沉积的形貌；B为引入磁场后，金属锂沉积形貌。图3为实施例1有/无磁场加入对电池库伦效率的影响：A为电流密度为0.25mhcm-2循环容量为0.5mAhcm-2时，有/无磁场条件下的库伦效率对比；B为电流密度为0.25mhcm-2循环容量为1mAhcm-2时，有/无磁场条件下的库伦效率对比。具体实施方式下面结合附图和实施例来进一步说明本专利技术，但本专利技术要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。实施例11)采用1M双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)溶于1,3-二氧戊环(DOL)+乙二醇二甲醚(DME)(1:1)作为电解液，组装Li|Li对称电池；2)将组装好的对称电池置于电磁铁内部，保持电极和磁场方向角度为90°，如图1所示；3)通过调整电磁铁输入电流的大小对磁场强度进行调控，调节磁场强度到B＝50mT；4)利用蓝电测试仪对电池进行充放电测试，设定电池循环容量为3mAhcm-2，电流大小为50mAcm-2，进行对称电池循环测试，分析比较电化学性能；5)将循环之后的电池在手套箱中拆开，对电极进行清洗之后，利用扫描电子显微镜对电极表面进行观察。通过图2可以看出，在无磁场作用下，金属锂沉积的形貌为小球形，当引入磁场以后，金属锂沉积形貌为长条形。通过图3可以看出，在电流密度为0.25mAcm-2，容量分别为0.5mAhcm-2以及1mAhcm-2条件下，磁场的加入都会明显提升金属锂沉积/溶解的库伦效率。加入磁场后，电池的库伦在0.25mAcm-2-0.5mAhcm-2以及0.25mAcm-2-1mAhcm-2测试条件下的库伦效率具有明显提升。实施例21)采用1M六氟磷酸锂(LiPF6)在碳酸乙烯酯(EC)+碳酸二乙酯(DEC)(1:1)作为电解液，组装Li|Li对称电池；2)将组装好的对称电池置于电磁铁内部，保持电极和磁场方向成90°垂直；3)通过调整电磁铁输入电流的大小对磁场强度进行调控，调节磁场强度到B＝50mT；4)利用蓝电测试仪对电池进行充放电测试，设定电池循环容量为3mAhcm-2，电流大小为50mAcm-2，进行对称电池循环测试，分析比较电化学性能；5)将循环之后的电池在手套箱中拆开，对电极进行清洗之后，利用扫描电子显微镜对电极表面进行观察。实施例31)采用1MLiTFSIinDOL/DME(1:1)作为电解液，组装Li|Li对称电池；2)将组装好的对称电池置于电磁铁内部，保持电极和磁场方向成90°；3)通过调整电磁铁输入电流的大小对磁场强度进行调控，调节磁场强度到B＝25mT；4)利用蓝电测试仪对电池进行充放电测试，设定电池循环容量为3mAhcm-2，电流大小为25mAcm-2，进行对称电池循环测试，分析比较电化学性能；5)将循环之后的电池在手套箱中拆开，对电极进行清洗之后，利用扫描电子显微镜对电极表面进行观察。实施例41)采用1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用洛伦兹力消除锂枝晶生长的方法，其特征在于，包括步骤如下：1)采用液态电解质体系，在惰性气体氛围内组装电池；2)将组装电池置于磁场内部，使电池内部电极平面和磁感线保持角度范围在0‑90°；3)在磁场强度范围在0‑1.5T下进行电化学性能测试，收集、比较、分析电化学数据；4)对循环之后的电极表面进行SEM表征，观察比较电极形貌演变；5)选取磁体置于电池内部，组装电池，分析比较电化学性能。

【技术特征摘要】
1.一种利用洛伦兹力消除锂枝晶生长的方法，其特征在于，包括步骤如下：1)采用液态电解质体系，在惰性气体氛围内组装电池；2)将组装电池置于磁场内部，使电池内部电极平面和磁感线保持角度范围在0-90°；3)在磁场强度范围在0-1.5T下进行电化学性能测试，收集、比较、分析电化学数据；4)对循环之后的电极表面进行SEM表征，观察比较电极形貌演变；5)选取磁体置于电池内部，组装电池，分析比较电化学性能。2.根据权利要求1所述的一种利用洛伦兹力消除锂枝晶生长的方法，其特征在于，所述步骤1)中惰性气体氛围选自氩气氛围，水含量低于2ppm，氧含...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗加严，王澳轩，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12