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如何抑制金属锂枝晶生长?

2018-7-4
        锂金属电池是指利用金属锂作为负极的电池,与其相搭配的正极材料可以是氧气、单质硫、金属氧化物等物质,其很有可能成为下一代储能电池。锂金属负极以其极高的理论容量和最负的电势受到研究人员的极大关注,但是,在锂离子反复沉积和析出过程中,金属锂负极表面容易生长出锂枝晶,不仅大大降低了电池的利用率,同时还有可能导致电池短路,造成安全隐患。如何能够抑制金属锂枝晶生长?本文将对现有的方法进行总结。
锂金属电池
电解液修饰
        金属锂与大部分的电解液都不能稳定存在,在初始的钝化过程之后,电解液与金属锂的反应产物可以稳定地保护在负极表面而阻止进一步反应的发生。该方法不需要大幅度地更改电极和电池制造工艺,在经济上可行性较高。目前发现的有成膜添加剂、沉积添加剂、非原位固态电解质界面膜添加剂等。
固态电解质
        固态电解质具有高锂离子电导率、高锂离子迁移数、优良电化学及热稳定性、机械性能,因此成为当前的研究热点。采用固态电解质可以部分或者完全解决液态电解质稳定性差和安全隐患这些难题。同时,固态电解质拥有较高的机械模量,可以较好地起到抑制枝晶生长的作用。将液态电解液替换成固态电解质有望解决电池大规模应用时的安全风险问题。但是,其较低的离子导率限制其大规模应用。
高盐浓度电解液
        高盐浓度电解液指盐浓度超过2M的电解液体系,可以视为液态电解液和固态电解质的中间过渡状态,它既拥有液态电解液的高离子导率,又拥有固态电解质的高安全性和枝晶抑制能力,同时其在提高电池的库仑效率和循环寿命方面表现了重要的优势。但是价格较为昂贵,随着锂电池的大规模使用,单位成本可能会逐渐降低。
纳米化电解液
        纳米化电解液也表现出了准固态电解质的性质,表现了优异的抑制枝晶生长的效果,具有提高锂金属电池循环寿命的潜力。但是制备过程比较复杂,材料成本较高。
结构化负极
        当金属锂存在一个骨架时,其不仅可以较好地抑制枝晶的生长,而且能够缓解在充放电过程中的体积膨胀问题。因此,通过金属锂中引入骨架,是实现金属锂的安全高效运转的新途径。近日,来自斯坦福大学的研究人员就通过将铜丝缠绕成弹簧,将橡胶注入到螺纹中,再电沉积锂金属的方法,制备出了具有稳定机械性能和电化学性能的可拉伸锂金属负极[1]。
        锂金属作为高比能电池核心材料得到了业界的广泛关注,但是,要将其大规模应用到实际之中,还面临着许多的挑战。我们希望更多的研究成果能够面世,使得高能量密度的金属锂电池能够走向大规模商业化。
参考文献
[1] Kai Liu, Biao Kong, Wei Liu, et al. Stretchable Lithium Metal Anode with Improved Mechanical and Electrochemical Cycling Stability. Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.06.003.
本文由苏州亚科科技股份有限公司编辑