3D集流体在锂金属电池中的应用研究进展

锂金属凭借其质量比容量高、电极电位低,有望成为新一代高能电池体系最有潜力的负极材料之一。然而,在循环过程中不可控的锂枝晶生长、死锂的形成,以及体积膨胀等问题,不仅会降低电池循环过程中的稳定性,甚至引发安全隐患,严重限制了锂金属负极的实际应用。3D集流体在缓解/抑制锂金属负极在循环过程中的体积变化、延缓锂枝晶生长、降低局部电流密度,以及提高库仑效率等方面起着重要作用。然而,在实际过程中,单纯的3D集流体使用性能并不理想,需要对其进一步改性。本文从表面改性(表面包覆、表面掺杂、表面化学处理)和梯度化设计出发,综述了3D集流体在锂金属电池中的应用研究进展,并详细分析了其对锂金属电池的性能影响,最后进行了总结和展望。

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(3860m Ah·g-1)和最低的电化学电位(-3.04V(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3mA·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(0.17mA×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。

三维集流体实现无枝晶锂金属负极

近年来,随着锂空气电池和锂硫电池的快速发展,具有高能量密度的锂金属电池再次受到动力电池研究人员的广泛关注。但是,在电池的循环过程中,锂金属负极存在锂枝晶、体积膨胀以及剧烈的副反应,这会导致电池充放电效率的降低并使得电池存在安全隐患。为了获得稳定的锂金属负极,提出了各种改性策略,例如,电解质添加剂、隔膜改性、人工SEI膜和3D集流体等。其中,集流体的改性直接影响着负极表面结构,并且3D集流体所具有的大的比表面积可以有效地降低局部电流密度,诱导锂的均匀成核与沉积。本文综述了3D集流体改性中具有指导意义的部分研究,旨在为进一步的3D集流体的设计提供参考。

一种新型锂金属电池阳极3D碳纤维集流体

将聚偏氟乙烯(PVDF)溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和丙酮混合溶剂中,静电纺丝,并进行碳化得到碳纤维(CF),用作锂(Li)金属电池阳极三维(3D)集流体。与传统的Cu集流体比较,它能为锂提供储存空间,增加锂成核点,降低电流密度,并为锂提供传输通道,减少循环过程中的体积变化,从而抑制锂枝晶的生长,提高锂金属电池的电化学性能。利用电子扫描电镜(SEM)对其进行锂沉积实验,发现CF上锂枝晶明显减少。对其进行电池性能测试,发现基于CF的集流体与传统铜集流体相比,其电池性能得到明显改善。

三维铜基集流体的构筑及在锂金属电池中的应用

锂金属因其具有超高比容量(3860 mAh·g^(-1))以及较低的氧化还原电势(-3.04 V vs标准氢电极),被认为是下一代高能量密度二次电池的理想负极材料。然而“无宿主”的金属锂在金属/电解液界面层进行沉积/剥离,不可避免地会生长枝晶,不仅使电极表面电流分布不均,同时可能会刺穿电池隔膜而导致电池短路。通过构造三维集流体/锂金属复合负极可以有效调控锂沉积行为并抑制枝晶生长,从而提升电池的库仑效率、循环寿命以及倍率性能,该领域近年来一直都是研究的热点。本文首先总结了基于三维集流体抑制锂枝晶的相关原理和模型;其次针对用于负极的铜基集流体,根据构成三维结构基底单元的维度,总结了三维铜基集流体的制备方法及其在锂金属负极保护方面的应用;最后,对三维集流体构造复合锂负极进行了总结和展望。