黄铜集流体在无负极锂金属电池中的应用研究

虽然无负极锂金属电池(AF-LMBs)具有能量密度高、结构简单等优势,但是金属锂在负极集流体界面不可逆的沉积/剥离过程以及与电解液之间的副反应会大量消耗电池中有限的活性锂,导致电池容量迅速衰减。开发高性能的负极集流体是提升AF-LMBs循环寿命的有效策略之一。因此,本文研究了商业黄铜箔(F-Cu-Zn)作为负极集流体在AF-LMBs中的电化学性能,并且结合多种表征技术揭示了F-Cu-Zn电极在循环过程中的结构演变。结果表明:与商业铜箔(F-Cu)相比,F-Cu-Zn含有丰富的亲锂位点,诱导金属锂均匀成核与生长,所组装的Cu-Zn||NCM712软包全电池的室温循环寿命从75次增加至117次。此外,F-Cu-Zn电极中的Zn元素会在循环过程中不断溶解,最终在电极表层形成三维多孔结构。

全固态无负极锂金属电池纳米化复合集流体构筑

全固态无负极锂金属电池(AFSSLB)是一种通过初次充电形成金属锂负极的新型锂电池,它的负极与正极容量比为1,能使任意锂化正极系统达到最大能量密度。无机固态电解质的引入使无负极锂金属体系兼具高安全性。然而,电池循环过程中的锂离子通量不均导致的界面接触损失和锂枝晶生长会不断加剧,从而造成电池循环容量迅速衰减。本文构筑了纳米化的银碳复合集流体,显著增强了全固态无负极锂金属电池中集流体-电解质界面的性能。使用该集流体的固态电池循环过程中接触良好,界面阻抗为~10Ω·cm^(-2)。从而实现了超过7.0mAh·cm^(-2)锂金属的均匀稳定沉积,并在0.25mA·cm^(-2)的电流条件下实现循环200次以上。

MoS_(2)纳米片功能化PAN锂金属电池隔膜的制备及锂枝晶抑制作用

引导锂离子流的均匀分布可以有效抑制锂枝晶的形成-生长,推动锂金属电池的产业化应用.本文采用化学插层法制备出单层或少层、结构完整的MoS_(2)纳米片,将二维MoS_(2)纳米片喷涂到静电纺聚丙烯腈(PAN)纤维膜上,制得MoS_(2)@PAN复合隔膜.MoS_(2)涂层的引入不仅提高了离子电导率(1.02 mS/cm)、Li+迁移数(0.59)和电解液亲和性,而且降低了复合隔膜的孔径,使其孔径分布均一.这些特性协同作用,调控了通过MoS_(2)@PAN复合隔膜的Li+流分布,促进了Li+在锂金属表面的均匀沉积,抑制了锂枝晶的形成-生长.因此,MoS_(2)@PAN复合隔膜组装的Li/Li电池在1 mA/cm^(2)电流密度下以14 mV的超低过电位可稳定循环长达500 h,循环后的锂金属表面没有明显的枝晶生长.此外,MoS_(2)@PAN复合隔膜组装的LiFePO_(4)/Li电池在2C倍率下循环550次后保持92%的初始容量,表现出更稳定的循环性能.通过隔膜调节Li+通量实现了锂的均匀沉积,为抑制锂枝晶的形成-生长提供了一种可行的策略.

蒙脱土基材料在锂金属电池中的应用研究进展

锂金属电池作为下一代高能量密度电池的代表,近年来受到了广泛的关注和研究。然而,锂金属电池的商业化应用依然面临着重大的挑战,如锂枝晶的不可控生长和电解质界面稳定性差导致电池的循环性能较差,甚至引发严重的安全问题。蒙脱土因其独特的结构,大的比表面积以及良好的热稳定性,有望用于锂金属电池中来提高其电化学性能。因此,在锂金属电池中引入蒙脱土基材料被认为是解决上述问题最有效的方法之一。综述了用于高性能锂金属电池的蒙脱土基材料、改性策略等相关研究进展,并对其未来发展进行了展望。

改性PVDF-HFP基凝胶电解质的合成及锂金属电池性能研究

开发高质量的固态电解质,对制造新一代安全稳定的固态锂金属电池具有重要意义。以聚偏氟乙烯–六氟丙烯(polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene,PVDF-HFP)为聚合物基体,引入MOF-808作为活性填料,采用溶液浇筑法制备了新型凝胶聚合物电解质。优化后的凝胶聚合物电解质在室温下的离子电导率高达3.21 mS/cm,电化学稳定窗口可达5.0 V、具有较高的Li^(+)迁移数(0.63)、与锂金属具有良好的界面相容性。组装的磷酸铁锂全电池在0.5 C倍率下循环250次,容量保持率为86.7%。高性能凝胶聚合物电解质对提升锂金属电池的循环稳定性与安全性具有重要的应用价值。

用于低温锂金属电池的固态电解质技术研究进展

固态锂金属电池因其理论上的高能量密度和安全性成为下一代锂二次电池的重要发展方向。然而,由于低温下(≤0℃)固态电解质离子电导率下降、电解质/电极界面处阻抗增加,固态锂金属电池在低温下的电化学性能快速劣化,为推进固态锂金属电池的实用化进程,亟须提升固态电解质在低温下的性能。本文围绕固态电解质的先进新兴技术,从材料层面切入,对近年来受到广泛关注的固态锂金属电池在低温领域的进展进行了梳理。首先介绍了固态锂金属电池的低温化学特性和失效机制,从本体离子传输、界面电荷转移、电极表面结构、锂金属稳定性等方面进行了归纳和分析。其次根据不同类型的固体电解质,对低温运行的先进金属锂电池的设计技术进行了总结,详细介绍了无机、聚合物及复合固态电解质的设计原理、化学组成-性能关系及界面优化策略等。最后从新材料、新表征、新机理及新标准四个维度对低温固态锂金属电池的未来实用化研究方向进行了展望,为低温固态锂金属电池的合理设计提供参考。

硅烷基改性醚类电解质赋能高比能LiCoO_(2) ‖锂金属电池

为改善醚类电解质和高压正极之间的界面兼容性,将锂电池的能量密度提升至350 W·h·kg^(-1)以上,本研究设计合成一种新型含硅烷基团的醚类电解质(Si-PEO),组装扣式电池,进行电化学性能和微观组织形貌分析。研究结果表明,该电解质中的醚链段用来解离锂盐和传导Li^(+),硅烷链段可以改善电解质的氧化稳定性,使其在室温下具有1.25×10^(-5) S·cm^(-1)的离子电导率和较高的电化学窗口(4.46 V)。LiCoO_(2)|Si-PEO|Li电池在室温下以0.5 C的倍率循环100圈后仍能保持160.12 mA·h·g^(-1)的放电比容量,容量保持率高达96.45%。循环后LiCoO_(2)正极颗粒完整,无副反应产物堆积,表面生成一层均匀且富含无机成分的正极/电解质界面。此界面层可以使Si-PEO电解质和正极有着优异的热兼容性,改善了LiCoO_(2)‖Li电池的安全性能。

用于锂金属电池的支化聚合物电解质的分子设计及其性能研究

设计了在主链上密集接枝PEO侧链的聚合物固态电解质。实验采用原子转移自由基聚合(ATRP)等可控自由基聚合反应,得到了结构可控的支化聚合物。该聚合物以甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)为主链,并采用ATRP将单体甲基丙烯酸六氟丁酯(TFBMA)和聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(PEGMA)接枝到主链上。由于TFBMA中氟基团的作用使电解质具有更宽的电化学窗口。此外,支化结构致密的侧链,具有空间位阻效应可以防止侧链和主链缠绕,打破聚合物链的长程有序以抑制PEO的结晶,进而提高离子电导率。

无负极锂金属电池的挑战与发展

无负极锂金属电池因极高的理论容量、能量密度和低成本的优势成为学术热点。但由于铜箔的疏锂性和金属锂的高活性,导致了锂沉积/剥离不均匀,从而产生锂枝晶和锂消耗过快等诸多问题,限制了实际应用。对无负极锂金属电池的优势、挑战以及解决方案进行了全面梳理,从修饰集流体、构筑稳定固态电解质界面(SEI)膜、引入补锂技术以及优化电解液四个改进策略进行了详细论述,并讨论了负极侧影响金属锂沉积/剥离的机制、正极额外锂源的优势以及电解液对无负极锂金属电池可逆性的影响,总结了四种策略的优缺点和未来的发展方向。

锂金属电池三维集流体的改性研究

采用电沉积的方法在三维铜集流体表面制备锡镀层,进一步在纯氩气氛中,分别对其进行300、400、500、600和700℃热处理,保温时间3 h。结果表明,热处理过程中表面镀层中的Sn原子逐步扩散到铜基体中,当热处理温度为600℃时,Sn元素均匀分布到铜基体中,此时,锂金属电池循环性能最佳,能够在高正极载量(17 mg/cm^(2))和低N/P比(0.6)的条件下,实现较大充放电倍率(0.5 C/3 C)下稳定循环130次。

锂金属电池三维集流体设计研究进展

锂金属因其高理论容量,在能量储存领域极具潜力。然而,锂金属电池中锂金属不均匀沉积产生的锂枝晶,可能导致电池短路并引发安全问题,限制了其目前的实际应用。三维集流体因具有高比表面积和大量亲锂位点,通过动力学原理控制锂金属沉积,从而降低局部电流密度,提高锂离子传输速度和金属成核速率。从锂金属电池中金属基、碳基、复合材料三维集流体及其改性等方面,综述了近年来锂金属电池三维集流体领域的最新研究进展,并对领域内需要解决的问题和未来发展方向进行了展望。

固态锂金属电池正极/电解质界面研究进展

固态锂金属电池以其突出的安全性与高理论比容量成为目前最具发展前景的锂电池技术。在构建高比能固态锂电池体系时,如何较好地解决正极与固体电解质之间的界面问题以及二者之间的兼容性,是高安全性和高比能量固态锂电池技术的痛点之一。通过对固体电解质膜机械特性改性、正极/电解质界面特性改性及其一体化制备技术、界面理论计算等介绍,总结综述了如优化固态电解质与正极材料的物理接触、加强正极/电解质渗透性、改善界面兼容性和正极/电解质固体界面相构建等正极/电解质界面改性技术进展情况,并对固态锂金属电池界面改性技术的发展趋势做了展望。

高性能复合固态电解质的制备及固态锂金属电池性能研究

固态锂金属电池相较于传统液态电池,其能量密度更高、安全性更好,具有巨大的应用前景。但聚合物固态电解质离子电导率低、强度低、电化学稳定性差,阻碍了其进一步发展。将丁二腈与聚碳酸丙烯酯通过无溶剂法加以玻璃纤维作为支撑制备了室温下高性能的复合固态电解质。所制备的复合固态电解质在室温下离子电导率达3.06×10^(-4)S/cm,锂离子迁移数达0.47,电化学窗口最高达4.3 V;其锂金属对称电池在电流为0.1 mA/cm^(2)的条件下,稳定循环超400 h;磷酸铁锂固态锂金属电池0.5 C循环100次的容量保持率为95.9%,展现出良好的循环稳定性。

柔性MOF/PVDF隔膜在锂金属电池中的应用

利用简单刮涂的方式将四种不同的金属有机骨架材料(MOF)分别与聚偏二氟乙烯(PVDF)复合制备得到柔性MOF/PVDF多孔隔膜,研究其在锂金属电池中对锂离子传输沉积行为的影响。结果表明,MOF基隔膜很好地引导了锂离子在锂金属负极的沉积,另外,电极的界面电荷传输性质也得到了改善,界面反应动力学有所提升。在0.5C电流密度下,MOF/PVDF隔膜组装的LTO电池在150圈时的放电容量依旧保持在165~170 mAh g^(-1)左右,相较于普通隔膜电池的157.8 mAh g^(-1)有明显的提升。

锂金属电池铜集流体界面优化策略研究

锂金属电池因其高能量密度优势而备受关注,但金属锂高活性和电化学循环过程中枝晶生长问题制约了其实际应用。铜集流体的研究对提升锂金属电池的安全性具有重要意义,能够起到调控局部电流密度从而影响锂离子分布的作用。本文针对平面铜集流体的固有缺陷,介绍了铜集流体改性策略的主要研究进展,并指出设计三维结构集流体能有效降低电流密度但暴露了更多活性界面,增强集流体亲锂性可以降低锂成核过电位但对设备具有较高要求,构建铜集流体表面改性层可以有效隔离电解液但对电池长期稳定性的影响有待进一步考量,因此铜集流体的优化还需进一步研究。

聚合物改性锂金属电池界面策略研究综述

锂金属负极长期以来一直被认为是储能电池领域的“圣杯”,但负极表面枝晶的生长和锂金属的持续损耗使得锂金属电池无法稳定循环,甚至存在安全隐患,阻碍了其实际应用。为了解决枝晶生长和负极锂的损耗问题,研究人员提出了不同的界面改性方法。其中有机聚合物具有官能团丰富和结构多样的特点,在诱导锂离子均匀沉积和缓解体积效应方面具备优势,在锂金属负极改性中受到研究者青睐。本文分别从集流体改性、隔膜改性以及人工SEI膜构建的角度,介绍了聚合物应用于锂离子电池界面修饰的研究现状、发展趋势以及关键科学问题;分析了用于界面修饰聚合物的结构设计准则,探讨了聚合物的界面修饰方法,阐明了聚合物界面抑制枝晶生长、缓解体积效应的机制,最后对金属锂负极未来的研究方向和发展趋势进行了展望。

锂金属电池枝晶生长及其抑制机理

锂金属被认为是锂电池负极材料最理想的选择之一,具有较高的理论容量(3860 mA∙h/g)和最低的负还原电位(−3.040 V(vs SHE))等优点。然而在充电过程中易在负极表面生长出锂枝晶,导致电池短路和降低电池利用效率。尽管大量研究已获得了枝晶的有效抑制方法,但枝晶生长和抑制机理仍不明确。本文系统讨论了锂金属负极材料表面枝晶生长机理以及表面特性、电化学性质对枝晶生长的影响机理。首先基于相场法建立了锂枝晶生长模型,并通过实验验证了模型的准确性;然后结合数学模型和电化学实验,研究了枝晶初始成核间距、表面能各向异性强度、界面电化学驱动力等因素对锂枝晶生长的影响规律。结果表明:小的初始成核间距和低界面能各向异性强度均可降低负极锂金属沉积表面粗糙度,从而抑制锂枝晶生长;锂枝晶生长受界面电化学驱动力影响,降低成核过电位可有效抑制锂枝晶生长。

锂金属电池电解液的研究进展

锂离子电池拥有高能量密度和长循环寿命等众多优点,在可移动电子设备、电动汽车和储能等领域得到越来越广泛的应用。锂金属因其最高的能量密度,被认为是负极的终极目标,因此成为研究的前沿热点。由于锂金属负极反应活性很高,传统电解液碳酸酯和其适配性很差,因此亟待开发锂金属电池电解液。本文主要阐述锂金属电池电解液的研究进展,介绍了锂金属电解液的常用表征方法,包括库伦效率测试,负极界面表征,不同类型电池测试等。并对锂金属电池电解液主要开发方向进行了介绍,包括全氟电解液、双盐电解液、高盐电解液、局域高盐电解液等,分析了其性能优劣。随着研究的成熟,未来的研究将基于更加商业化的体系开发电解液,并多方向融合发展,开发新型有机溶剂等。相信通过持续的深入研究和创新,锂金属电池商业化将成为现实。

先进炭材料在锂金属电池中的锂枝晶抑制作用

锂金属有低还原电位和高比容量,是高能量密度电池负极材料的最终选择。然而,不可控的锂枝晶导致差的循环寿命和安全问题,对锂金属电池的实际应用构成了重大挑战。对锂枝晶形成机制的理解对于指导抑制枝晶生长的有效策略的发展至关重要。本文首先整理了近年来为理解锂枝晶形成过程而提出的几个具有代表性和影响力的模型。炭材料凭借其优异的导电性、电化学稳定性、机械性能和可塑性,已被广泛开发用于防止锂枝晶的形成。基于对上述主流锂枝晶形成模型的全面理解和认识,进一步全面汇总了近年来石墨烯、碳纳米管、炭纤维和空心炭等先进炭材料在应对锂枝晶形成方面的优势和策略。最后,对炭材料抑制锂枝晶的局限性和未来研究方向进行了总结和展望,为进一步开发高性能金属锂电极用先进炭材料提供了参考。

锂金属电池发展及材料分析

随着人们对锂电池续航要求不断提高,开发新体系的锂电池成为研究的热点。锂金属电池凭借着较高的比能量,吸引着众多的关注。但是由于存在正极材料克容量和稳定性不足、固态电解质材料界面阻抗大以及锂金属负极膨胀等各方面的限制,导致目前锂金属电池距离大规模应用仍有一段距离。本文从常用的正极材料、锂金属负极材料以及固态电解质材料出发,论证分析了各个材料目前的技术进展,并评估了各个材料的发展前景。