人造固态电解质界面在锂金属负极保护中的应用研究

锂金属具有最低的氧化还原电位(-3.04 V vs标准氢电极)和极高的比容量(3860 mAh·g~(-1)),是理想的锂二次电池负极材料。然而电化学循环过程中,由于锂的不均匀成核生长,其表面产生锂枝晶,锂枝晶持续生长会刺穿隔膜,造成电池短路甚至引发火灾。因此需要对锂金属负极进行保护,抑制负面问题,发挥高性能。人造固态电解质界面技术是一种有效的锂金属负极保护策略,本质是预先在锂金属表面涂覆上保护层,保护层具有较高的离子传导性和电化学稳定性、较好的阻隔性和机械强度,可得到高效率、长寿命和无枝晶的锂金属负极。本文将近年来人造固态电解质界面在锂金属负极保护中的研究进展进行综述,对其制备方法、结构特点、锂金属负极循环性能、全电池电化学性能等方面作了详细介绍,分析当前存在问题并指出锂金属负极研究不仅需要加深机理研究还得与实际应用相结合。     

全固态锂电池中金属锂负极及其界面设计的研究进展

锂金属具有低的氧化还原电位(-3.04 V vs标准氢电极)和高比容量(3860 mAh/g),是理想的锂二次电池负极材料.由金属锂负极/固态电解质/嵌锂正极组装的固态锂电池,有望成为未来航空航天、机器人、高端电子和电动汽车等相关技术产业的动力源.然而,在充放电过程中,由于锂的不均匀沉积-溶解造成锂与电解质接触面产生大量树枝状枝晶,并沿着电解质方向不断生长,最终造成电池内部短路而失效.使用较高杨氏模量的固态电解质,可以很大程度上阻挡锂枝晶的生长,但仍不能满足电池长循环和安全性的要求.此外,金属锂与固态电解质表面是固固接触,造成了界面电阻大以及金属锂与固态电解质的界面反应等问题,这严重阻碍了固态锂金属电池的发展与使用.本文综述了近年来基于固态电解质的金属锂电池抑制锂枝晶生长和提高固固界面相容性的相关策略,并对金属锂/固态电解质界面设计的发展趋势进行展望.     

电解液化学保护锂金属电池负极的研究进展

锂金属电池被认为是最具潜力的高能量密度储能器件之一,但是锂金属电池负极低库仑效率及不可控的枝晶生长等问题阻碍了其商业化进程.在锂金属电池中,电解液会直接参与固态电解质界面膜(SEI)的形成,对锂金属负极的库仑效率、枝晶生长等产生重要影响.传统LiPF6基酯类电解液中,锂金属库仑效率低,且锂枝晶现象严重.近年来通过电解液添加剂、溶剂、锂盐以及锂盐浓度等途径调控电解液化学,在锂金属负极保护上取得了显著效果.例如,采用与锂金属负极兼容性更佳的醚类溶剂,可以降低电解液与锂金属的反应性;采用多种添加剂与新型锂盐复配可以有效抑制锂枝晶的形成;采用高浓度锂盐电解液,可以形成稳定SEI膜等.本文综述了锂枝晶的生长原理以及通过溶剂、锂盐、添加剂和高浓度电解液等策略调控电解液化学保护锂金属电池负极的研究现状,总结了各种途径的优势及局限性.并对锂金属电池电解液的发展提出了新的见解,以激发新的策略面对锂金属电池后续的挑战.     

合金材料在锂金属负极中的应用研究进展

金属锂具有极低的电极电势及超高的比容量，是高比能锂二次电池的理想负极材料。然而，锂枝晶生长、体积膨胀效应及界面不稳定等问题限制了其商业化应用。通过合金负极、界面保护、负极结构设计及固态电解质等策略，可显著改善上述问题。锂合金材料具有高比容量、高离子电导率及良好亲锂性等特点，在上述策略中均扮演着重要角色。本文介绍合金材料的电化学性质，综述近年来合金材料在锂金属负极中的应用研究进展；最后梳理合金材料在锂金属负极中应用所面临的问题，并提出加强基础理论研究等建议。     

锂金属电池中复合固态电解质与负极界面的研究进展

与传统锂离子电池相比,全固态锂金属电池因其安全性好、能量密度高的特点备受关注.但是电极与固态电解质的固固接触带来较大的界面阻抗,而锂金属较为活泼易与固态电解质发生反应,造成了界面不稳定.界面问题已经成为制约全固态电池发展的关键因素之一.有机-无机复合固态电解质兼顾无机固态电解质和有机固态电解质的优势,具有较高离子电导率和一定的力学强度,展现出优异的实用化前景.本文综述了近年来复合固态电解质与金属锂负极界面改性的研究进展,总结了当前界面改性的主要研究思路:包括在界面构筑"软接触"、调节固态电解质的力学性能以及调控界面处锂离子的沉积动力学过程等.同时,也对今后界面改性的研究趋势进行了展望.     

全固态锂硫电池中界面问题的研究现状

由于锂金属负极的理论比容量和固态电解质的安全性高,全固态锂硫电池越来越受到研究者的青睐.与液态锂硫电池相比,全固态锂硫电池最大的不同在于使用固态电解质替换了液态电解质,且固态电解质材料不可燃,因此有着更高的安全性.此外,经过优化处理后的固态电解质有着足够的机械强度,可以有效抑制锂枝晶的产生.同时在产品的制备和运输方面,全固态电池也有着更大的优势.然而,全固态电池中存在着大量的固固界面,这些固固界面会导致在循环过程中产生界面电阻、体积畸变等一系列问题,会制约全固态锂硫电池的商业应用.因此,近年来学者们对固固界面进行了广泛的研究,不断改进制备工艺,表征界面变化过程,并对离子迁移路径进行了模拟和验证.目前,全固态锂硫电池已经有部分投入了商业应用.全固态锂硫电池主要包括含硫正极、锂金属负极和固态电解质,而固态电解质主要分为无机固态电解质和有机固态电解质两大类.因此,对固态电解质界面的研究也可以分为两大类:一类是固态电解质内部界面,包括无机电解质与无机电解质之间的界面或者无机电解质与有机电解质之间的界面,该界面主要对离子电导率有着重要影响;另一类主要包括固态电解质与正负极之间的界面,对电池的化学稳定性、体积稳定性和离子电导率等均存在较大的影响.近年来,研究者发现通过改变混合方法、粒径、多孔基体和体积压力等能够有效改善界面.同时,随着表征技术的发展,越来越多的原位界面表征技术能够更加直观地展现界面的变化状态.本文系统性地阐述了全固态锂硫电池的内、外界面存在的问题和研究现状,并探讨了全固态锂硫电池未来的发展趋势和研究重点,以期为制备稳定、高性能的全固态锂硫电池提供参考.     

金属铋纳米颗粒原位修饰碳纳米管促进锂均匀沉积

锂金属具有高理论比容量和低电化学电位, 是发展高能量密度电池最有吸引力的负极材料之一。然而, 锂金属负极在反复的沉积/剥离过程中, 不可避免地会出现不规则的锂枝晶生长, 这将严重影响锂金属电池的循环寿命和使用安全性。本研究发展了一种简单温和的策略, 在碳纳米管上原位修饰铋纳米颗粒, 并涂覆在商业铜箔表面用作锂金属负极的集流体。研究表明, 原位修饰的铋纳米颗粒可显著促进锂均匀沉积, 抑制锂枝晶生长, 从而提高锂金属电池的电化学性能。在电流密度为1 mA·cm^-2的条件下, 基于Bi@CNT/Cu集流体的锂铜电池循环300圈后库仑效率可稳定在98%。基于Li@Bi@CNT/Cu负极的对称电池可稳定循环1000 h。基于Bi@CNT/Cu集流体的磷酸铁锂(LFP)全电池也获得了优异的电化学性能, 在1C(170 mA·g^-1)倍率下可稳定循环700圈。本研究为抑制锂金属负极枝晶生长提供了新的思路。     

聚合物固态电解质-锂负极界面的研究进展

固态锂电池是新能源领域最有希望的下一代高能量密度电池体系之一。本文以聚合物固态电解质-锂负极界面的构型特征和形成机理为基础, 系统讨论界面接触性、界面化学和电化学反应、锂负极枝晶生长等问题对二者之间的界面稳定性与兼容性的影响。基于此, 本文重点阐述了掺杂改性、结构设计等手段在三种聚合物基体与锂负极之间的界面的应用。此外, 本文还综述了常见界面表征手段及其在聚合物固态电解质-锂负极界面的应用情况。最后, 基于设计和构筑稳定的聚合物固态电解质-锂负极界面的相关策略, 本文对掺杂、核层设计等界面优化手段的发展前景进行分析与展望。     

新型锂离子固体电解质应用进展

传统的液体电解质在充放电的循环过程中易在负极产生枝晶,导致电池短路,且液体电解质存在易燃、易爆、泄露等安全问题。固体电解质能够很好的解决上述安全性问题,并且具有较好的稳定性,是替代液体电解质的不二选择。固体电解质需要满足高的离子电导率、宽的电化学窗口、优良的化学相容性、简单的制备工艺、低廉的成本等要求,因此需要进一步研发高性能固体电解质或电极/电解质界面改性材料,便于优化和提升固态电池的电化学性能。金属有机骨架和共价有机框架化合物是近年来新兴的、具有周期性结构的多孔材料,在电池领域的应用已经崭露头角。综述了金属有机骨架和共价有机框架化合物在固态锂离子电池上的应用及研究进展,并对如何改进金属有机骨架和共价有机框架固体电解质的电化学性能提出建议。     

合金材料在锂金属负极中的应用研究进展EI北大核心

金属锂具有极低的电极电势及超高的比容量,是高比能锂二次电池的理想负极材料。然而,锂枝晶生长、体积膨胀效应及界面不稳定等问题限制了其商业化应用。通过合金负极、界面保护、负极结构设计及固态电解质等策略,可显著改善上述问题。锂合金材料具有高比容量、高离子电导率及良好亲锂性等特点,在上述策略中均扮演着重要角色。本文介绍合金材料的电化学性质,综述近年来合金材料在锂金属负极中的应用研究进展;最后梳理合金材料在锂金属负极中应用所面临的问题,并提出加强基础理论研究等建议。     

固态锂电池用MOF/聚氧化乙烯复合聚合物电解质

固态聚合物电解质具有柔韧性好和易于加工的优势, 可制备各种形状的固态锂电池, 杜绝漏液问题。但固态聚合物电解质存在离子电导率低以及对锂金属负极不稳定等问题。本研究以纳米金属-有机框架材料UiO-66为聚合物电解质的填料, 用于改善电解质的性能。UiO-66与聚氧化乙烯(poly(ethylene oxide), PEO)链上醚基的氧原子的配位作用以及与锂盐中阴离子的相互作用, 可显著提高聚合物电解质的离子电导率(25 ℃, 3.0×10 ^-5S/cm; 60 ℃, 5.8×10 ^-4 S/cm), 并将锂离子迁移数提高至0.36, 电化学窗口拓宽至4.9 V。此外, 制备的PEO基固态电解质对金属锂具有良好的稳定性, 对称电池在60 ℃、0.15 mA·cm ^-2电流密度下可稳定循环1000 h, 锂电池的电化学性能得到显著改善。     

基于三维芳纶纳米纤维骨架的柔性高压复合电解质膜及其固态锂金属电池

聚合物电解质在锂金属电池中的应用受限于锂枝晶生长、电化学不稳定性及较低的离子电导率.为解决这些问题,本文通过向三维多孔芳纶纳米纤维(ANF)中填充聚环氧乙烷(PEO)-双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)电解质,制备了基于三维芳纶纳米纤维网络骨架的柔性ANF/PEO-LiTFSI复合电解质薄膜.由于其独特的构造及离子在三维ANF/PEO-LiTFSI界面中的连续输运,该复合电解质膜具有比PEO-LiTFSI电解质膜更高的力学强度(10.0 MPa)、热稳定性、电化学稳定性(60℃下达4.6 V)和离子电导率,以及较强的抑制锂枝晶能力.基于该复合电解质的固态LiFePO4/Li电池表现出优异的循环性能(在0.4 C下充放电百次后的容量达130 mA h g-1、保持率为93%).该研究提供了一种基于三维骨架设计和制备高性能电解质的有效方法,有望应用于固态锂金属电池.     

面向可充电电池的锂金属负极的枝晶生长:理论基础、影响因素和抑制方法

在全球能源与环境问题日趋紧迫的大背景下,可再生能源的获取与利用途径及高效安全的储能技术的研发一直是工业界和科学界关注的热点之一。锂离子二次电池作为能量存储器件,拥有高比能量、长循环寿命等优点,近十几年来其研究取得了长足进展,并在各类便携式电子设备和电动交通工具中获得了广泛应用。然而,随着各种高性能设备的不断涌现,商业化的锂离子电池越来越难以满足其在能量密度、循环稳定性和安全性等方面的要求。为了进一步提高锂离子电池的能量密度,需要开发出高比容量的负极材料(硅、锡和锂等)以取代传统石墨负极。硅、锡等新式负极材料通过与锂离子反应形成含锂化合物的原理来存储与释放锂离子,完成电池的一个充放电过程。这个过程往往伴随着负极材料体积的剧烈变化,经历较长时间循环使用后会导致负极材料的粉化甚至从集流体上剥离,引起电池容量迅速衰减甚至失效。而锂负极通过锂在负极上的溶解和沉积来完成电池的充放电过程,该过程不存在反应相变所导致的体积变化。另外,锂金属负极材料具有极高的质量比容量(3 860mAh/g)、低密度(0.59g/cm3)和低的还原电位(-3.04V,相比于氢标准电极),被认为是一种理想的可充电电池负极材料。然而,锂的枝晶生长、锂金属电池低的库伦效率和锂的无主体沉积引起的体积膨胀等一些关键问题长期以来制约着锂负极的商业应用。锂的每次沉积都会产生枝晶,在充放电循环中,锂枝晶会导致电池内部短路甚至发生爆炸,带来严重的安全问题。除此之外,锂枝晶还会增加负极表面积,新暴露的锂金属会与电解液反应生成固态电解质膜(Solid electrolyte interface,SEI),这会损耗活性材料以及降低电池的库伦效率。为了解决以上问题,研究者们对锂金属电极进行了许多探索,尤其是在锂枝晶生长的机理及其抑制方法方面。一些理论模型如扩散模型、SEI保护模型、电荷诱导生长模型和薄膜生长模型等,以及与这些模型相对应的一些抑制方法如均匀锂离子流法、SEI膜保护法、稳定沉积主体法和静电屏蔽保护法等被提出。这些抑制方法能够在一定程度上缓解锂枝晶的生长问题,但都未能达到商业化应用的要求。本文总结了近几年研究人员针对锂离子电池锂金属负极的一些重要研究,系统地介绍了业内较为认同的枝晶生长模型和影响因素,并着重叙述了抑制枝晶生长的方法及成效,最后就锂金属负极将来的研究方向给出一些建议。     

石墨烯在固态电池界面改性中的应用

全固态锂电池具有安全可靠性高、能量密度大、循环寿命长、电化学窗口宽、高温适应性强等优点，制约其实际应用的主要瓶颈在于电极与固态电解质之间的界面问题，包括负极界面区的锂枝晶、体积膨胀，正极界面区的结构变化、空间电荷层、界面反应等。石墨烯因其特殊的二维结构，优良的导电、导热及力学性能而广泛应用于电化学储能领域。综述了石墨烯在电极/固态电解质界面改性方面的研究进展，并对石墨烯在固态电池领域的应用前景进行了展望。     

构建亲锂铜基3D集流体实现金属锂的均匀沉积

锂金属负极以其最高的理论比容量(3860 mAh·g ^-1)和最低的电化学电位(-3.04 V (vs SHE))被誉为电池界的“圣杯”。但是锂金属电池的缺点也尤为明显: 充放电过程中锂金属电池容易在负极不均匀沉积从而产生锂枝晶, 锂枝晶的产生会造成固体电解质介面(SEI)膜的持续破裂, 不稳定的SEI膜又会加剧锂枝晶的形成, 进而刺穿隔膜, 导致电池的循环性能下降, 产生安全隐患, 所以采取相应的措施在负极均匀沉积金属锂尤为重要。本研究使用商业化的铜网, 通过碱性溶剂的氧化和空气气氛煅烧, 在铜网表面形成均一的亲锂氧化铜纳米片阵列。铜网的3D结构可以有效减小电流密度, 亲锂的纳米片阵列可以降低锂的沉积过电势, 均匀沉积锂, 有效抑制锂枝晶的产生。在电流密度为3 mA·cm ^-2的半电池测试中, 稳定循环230圈后库伦效率稳定维持在99%以上; 搭配磷酸铁锂(LFP)全电池测试, 在1C(0.17 mA·mg ^-1)条件下可稳定循环300圈, 容量保持率为95%。本研究为锂金属负极3D集流体的设计提供了新思路。     

半限域层次孔炭三维锂负极的构筑及性能EI北大核心

金属锂负极是锂电池极具发展潜力的高能二次电池负极材料,但是锂枝晶生长、界面不稳定、循环稳定性差和体积膨胀大等问题限制了锂负极的应用。针对枝晶生长和体积膨胀的问题,本工作通过模板法构筑了一种具有较大比表面积的半限域式层次孔炭(HPC)材料,HPC电极材料的高比表面积可降低局部电流密度,丰富的孔道结构可将锂限制在其内部沉积,从而达到抑制枝晶生长和缓解体积膨胀的目的。Li‖HPC电池在电流密度为1.0 mA·cm^(-2)、沉积电量为1.0 mAh·cm^(-2)条件下可以循环超过250周次,其库仑效率保持在97.6%。采用此负极与磷酸铁锂(LiFePO_(4))正极匹配制备的Li@HPC‖LiFePO_(4)全电池,在0.5 C下循环100周次后的正极放电比容量为93.6 mAh·g^(-1),较相同条件下的Li@Cu‖LiFePO_(4)全电池(60.8 mAh·g^(-1))提升了32.8 mAh·g^(-1)。     

半限域层次孔炭三维锂负极的构筑及性能EI

金属锂负极是锂电池极具发展潜力的高能二次电池负极材料,但是锂枝晶生长、界面不稳定、循环稳定性差和体积膨胀大等问题限制了锂负极的应用。针对枝晶生长和体积膨胀的问题,本工作通过模板法构筑了一种具有较大比表面积的半限域式层次孔炭(HPC)材料,HPC电极材料的高比表面积可降低局部电流密度,丰富的孔道结构可将锂限制在其内部沉积,从而达到抑制枝晶生长和缓解体积膨胀的目的。Li‖HPC电池在电流密度为1.0 mA·cm^(-2)、沉积电量为1.0 mAh·cm^(-2)条件下可以循环超过250周次,其库仑效率保持在97.6%。采用此负极与磷酸铁锂(LiFePO_(4))正极匹配制备的Li@HPC‖LiFePO_(4)全电池,在0.5 C下循环100周次后的正极放电比容量为93.6 mAh·g^(-1),较相同条件下的Li@Cu‖LiFePO_(4)全电池(60.8 mAh·g^(-1))提升了32.8 mAh·g^(-1)。     

半限域层次孔炭三维锂负极的构筑及性能

金属锂负极是锂电池极具发展潜力的高能二次电池负极材料，但是锂枝晶生长、界面不稳定、循环稳定性差和体积膨胀大等问题限制了锂负极的应用。针对枝晶生长和体积膨胀的问题，本工作通过模板法构筑了一种具有较大比表面积的半限域式层次孔炭(HPC)材料，HPC电极材料的高比表面积可降低局部电流密度，丰富的孔道结构可将锂限制在其内部沉积，从而达到抑制枝晶生长和缓解体积膨胀的目的。Li‖HPC电池在电流密度为1.0 mA·cm^-2、沉积电量为1.0 mAh·cm^-2条件下可以循环超过250周次，其库仑效率保持在97.6%。采用此负极与磷酸铁锂(LiFePO₄)正极匹配制备的Li@HPC‖LiFePO₄全电池，在0.5 C下循环100周次后的正极放电比容量为93.6 mAh·g^-1,较相同条件下的Li@Cu‖LiFePO₄全电池(60.8 mAh·g^-1)提升了32.8 mAh·g^-1。     

全固态锂离子电池中金属锂负极界面优化改性研究

以共聚物PEDOT-co-PEG作为锂金属阳极的表面改性层,采用磷酸铁锂复合阳极和“石榴石型”物质以及聚合氧乙烷聚合物组成的固体电解质制备了全固态锂离子电池。采用SEM分析了锂金属充电-放电反复操作后的形态学改变;采用电化学组抗谱试验研究了改性后的锂金属以及复合固体电解质接触面的稳定性并对全固态锂离子电池的充电-放电性能和界面稳定性进行了研究。结果表明,未改性的锂金属在固态电池充电-放电过程中会生成锂枝晶,从而导致全固态锂离子电池的高电流密度容量快速衰变;“石榴石型”物质以及聚合氧乙烷聚合物组成的固体电解质与改性后的金属锂具有良好的接触面,从而扼制锂枝晶的形成,提高全固态锂离子电池的机械性能;在PEDOT-co-PEG共聚物改性锂金属后,全固态锂离子电池的平稳性显著提高,且容量减弱放缓。     

石墨烯基材料在高性能锂金属电池中的研究进展（英文）

由于相对较低的能量密度,商用锂离子电池(LIB)难以满足便携式电子和电动汽车对储能设备能量密度日益增长的需求。锂(Li)金属具有高理论比容量(3 860 mAh g~(-1))和低的密度(0.59 g cm~(-3)),被认为是下一代高能密度锂电池最具前途的负极之一,如Li-S和Li-O_2电池。然而,由于固态电解质界面层的不稳定,导致锂枝晶生长不可控和库伦效率低等问题,限制了锂金属电池的实际应用。石墨烯基材料(GBMs)具有高比表面积、可调节的孔结构和表面化学特性,已被证明可以显著解决上述问题。本文综述了利用石墨烯基材料来保护锂金属负极的各种策略,并详细讨论了在锂金属保护中具有不同功能和作用的石墨烯基纳米材料的合理设计。文中还讨论了石墨烯基纳米材料用于锂金属负极中未来发展面临的挑战和可能的解决方案。