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锂金属电极负极保护策略研究进展

文章介绍

随着经济的快速发展,化石能源日趋枯竭,环境污染问题日益严峻,人们对高效、安全、清洁环保的能源存储系统的要求与日俱增。无论是大型战略布局的新能源(太阳能、风能等)的规模化存储,还是关系日常生活的电子产品和电动汽车等领域都迫切需要快速开发新型高比能量二次电池。传统正极和石墨负极(372 mAhg-1,LiC6,室温下)材料的容量密度已经接近理论值,这严重制约了新型电池依赖型产业的优化升级。

锂金属因其巨大的理论容量(3860 mAh g-1)和最低的电极电位(-3.04 V vs. SHE)被认为是最有竞争力的下一代负极材料之一。锂金属电池也成为当下的研究热点。然而,锂金属负极在充放电过程中的副反应导致锂枝晶的不可控生长,这不仅降低了电池的循环稳定性也极大地影响了使用的安全性。研究者们就如何调控电极体系,开发具有高安全性和循环稳定性的锂金属电池开展了大量卓有成效的工作。

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Fraunhofer USA王克亮研究员与西安交通大学纳米学院纳米材料研究所金宏、徐慧团队,总结了近年来发展无枝晶锂负极的策略,包括构建人工固体电解质界面(SEI)、电流集流体改性、隔膜改善和电解质添加剂等,并对几种优化策略进行了必要的剖析。

该工作在InfoMat上以题为“Strategies to anode protection in Lithium metal battery - A review”在线发表。


我们摘取了文章里的几部分重点给大家做以介绍:

1. 人造固体电解质界面:为了抑制锂枝晶的生长及其对电池体系的破坏,研究者对包括氧化物、氮化物、硫化物、氧化物和有机SEI进行了大量的尝试。这些人造SEI膜都能够一定程度上减少金属锂与电解液的直接接触,从而降低枝晶生长速度,提升电池的循环性能。目前,单一体系的SEI在导离子能力、机械稳定性、表面兼容性方面很难达到最佳效果,因此,不同人造SEI膜在调节金属锂负极性能的具体机制仍需通过实验进行验证以指导适宜SEI膜的设计;复合型SEI膜设计或新型SEI膜材料开发对于提升锂金属负极性能依然至关重要。

2. 集流体设计:高比表面积和开放的纳米尺度垂直三维结构的集流体可降低局部电流密度,适应体积变化,抑制枝晶生长。因此,诸如碳基、铜基等三维集流体材料被广泛开发并应用到锂金属负极中。尽管这些设计能够一定程度上缓解金属锂充放电过程中出现的枝晶生长,循环效率差等方面的问题,但锂金属与这些三维集流体的质量匹配、电极整体能量密度优化等方面还需进一步的研究提升。

3. 隔膜和电解液:聚烯烃隔膜已在电池中商业化使用,然而,膈膜的机械稳定性、离子电导率和润湿性相对较差。通过纳米材料对隔膜进行表面改性可提高膈膜与锂金属电极的兼容性。电解液中添加过渡金属阳离子可以增强锂金属表面SEI膜的稳定性,抑制Li枝晶的生长,提升电池循环稳定性。

4. 全固态电解质:全固态电解质可有效避免传统液态电池中锂枝晶化等表面副反应的持续发生,且固体电解质中易挥发、易燃成分得到有效控制,可极大提升锂金属电池的稳定性。而固态电解质与锂的兼容性及固态电解质的离子导电性等性能与液态电解质相比仍是其较大的短板。

综合而言,锂金属安全性的提升可以须从人工SEI膜、3D集流体、膈膜改性、电解液添加剂、固体电解质等不同角度进行全面研究,在保障锂金属安全性的同时,应兼顾电池容量、循环稳定性、倍率性能及成本等因素。


点击链接阅读全文:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/inf2.12189?utm_medium=display&utm_source=xmol&utm_campaign=R2R345C&utm_content=DA20_Xmol_Journal_article_campaign_2_RM-CHINA_AGT_R2R345C_display_inf212189


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《信息材料(英文)》(InfoMat)创刊于2019年,是由教育部主管,电子科技大学和Wiley出版集团共同主办的开放获取式英文学术期刊(月刊)。本刊聚焦信息技术与材料、物理、能源以及人工智能等新兴交叉领域前沿研究,旨在打造电子信息领域的世界顶尖期刊,推动电子信息技术与多学科交叉的共同发展。期刊2022年度影响因子为22.7,JCI指数2.37,5年影响因子22.7,2022年度CiteScore为35.6,SNIP指标为3.344。在材料科学各领域位列前茅,其中科院分区为材料科学1区Top、材料科学综合1区。期刊先后收录于DOAJ、SCIE、Scopus、CSCD、CAS、INSPEC等数据库。


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