锂离子电池(LIBs)作为目前使用最广泛的二次电池,绝大多数以理论比容量较低的石墨(372 m Ah/g)为负极,已无法满足人们日益增长的对电池储能性能的要求。金属锂因其超高的理论比容量(3 860 m Ah/g)和最低的还原电势(-3.04 V,相比于氢标...锂离子电池(LIBs)作为目前使用最广泛的二次电池,绝大多数以理论比容量较低的石墨(372 m Ah/g)为负极,已无法满足人们日益增长的对电池储能性能的要求。金属锂因其超高的理论比容量(3 860 m Ah/g)和最低的还原电势(-3.04 V,相比于氢标准电极)被看作是下一代高能量密度可充电锂电池最理想的负极材料。尤其是当金属锂与硫、氧组成锂-硫或锂-氧电池体系时,其理论能量密度远超锂离子电池,受到研究者的广泛关注。然而,库伦效率低和稳定性差一直是限制锂金属电池商业化应用的关键因素。当金属锂直接用作电池负极时,其易与电解液反应,在其表面形成一层脆弱的固态电解质中间相(SEI)膜。电池循环时,负极体积膨胀会破坏SEI膜,诱导锂枝晶和“死锂”形成,造成不可逆的容量损失。此外,锂枝晶生长至一定程度后会刺穿隔膜,导致电池内部短路甚至发生爆炸,引发严重的安全问题。为了解决上述问题,研究者们在锂金属负极失效机制、结构设计及界面强化等方面进行了许多探索。一些研究枝晶生长的理论模型如Chazalviel-Brissot模型、Yamaki模型和静电屏蔽模型等已受到广泛认可。在此基础上,研究者们尝试通过设计三维集流体、表面改性集流体以及构筑原位或人工SEI膜的方式来抑制锂枝晶生长和缓解体积效应,并取得了一定成果。本文系统地介绍了几种典型的锂金属负极失效机制,着重总结了近年来研究者们在锂金属负极结构设计和界面强化方面的研究进展,最后分析了锂金属电池研究中仍存在的问题并给出了一些建议,以期为早日实现锂金属电池的商业化应用提供参考。展开更多
对高续航里程车型的追求使锂金属电池(LMBs)再次引起研究人员的关注.然而,锂金属负极在循环过程中会出现不可控的锂枝晶形成和无限大的体积变化,阻碍了其实际应用.为了解决这些棘手问题,本文采用一种金属有机框架(MOF)衍生路线,在不同...对高续航里程车型的追求使锂金属电池(LMBs)再次引起研究人员的关注.然而,锂金属负极在循环过程中会出现不可控的锂枝晶形成和无限大的体积变化,阻碍了其实际应用.为了解决这些棘手问题,本文采用一种金属有机框架(MOF)衍生路线,在不同的基底(如碳布和铜网)上通用地构建出亲锂三维骨架,以实现无枝晶锂金属负极.作为一个典型的例子.MOF衍生的ZnO/NC(氮掺杂碳)纳米片修饰的三维碳布(CC)被较好地构建为亲锂宿主,用于灌注熔融锂(标记为CC@ZnO/NC@Li).得益于亲锂的N官能团和LiZn合金,制备的CC@ZnO/NC@Li复合负极极大地促进了锂的均匀分布,使电极呈现为无枝晶形貌.同时,三维导电碳骨架可增强反应动力学并缓冲电极的体积变化.因此,CC@ZnO/NC@Li复合负极具有延长的循环寿命,可在5 mA cm^(-2)下以19 m V的低过电位稳定循环超过1000次.与LiFePO_(4)正极相匹配时,CC@ZnO/NC@Li复合负极在全电池系统中也表现出了优异的电化学性能.这种通用策略可为设计金属锂的多功能亲锂性三维宿主拓宽途径.展开更多
文摘锂离子电池(LIBs)作为目前使用最广泛的二次电池,绝大多数以理论比容量较低的石墨(372 m Ah/g)为负极,已无法满足人们日益增长的对电池储能性能的要求。金属锂因其超高的理论比容量(3 860 m Ah/g)和最低的还原电势(-3.04 V,相比于氢标准电极)被看作是下一代高能量密度可充电锂电池最理想的负极材料。尤其是当金属锂与硫、氧组成锂-硫或锂-氧电池体系时,其理论能量密度远超锂离子电池,受到研究者的广泛关注。然而,库伦效率低和稳定性差一直是限制锂金属电池商业化应用的关键因素。当金属锂直接用作电池负极时,其易与电解液反应,在其表面形成一层脆弱的固态电解质中间相(SEI)膜。电池循环时,负极体积膨胀会破坏SEI膜,诱导锂枝晶和“死锂”形成,造成不可逆的容量损失。此外,锂枝晶生长至一定程度后会刺穿隔膜,导致电池内部短路甚至发生爆炸,引发严重的安全问题。为了解决上述问题,研究者们在锂金属负极失效机制、结构设计及界面强化等方面进行了许多探索。一些研究枝晶生长的理论模型如Chazalviel-Brissot模型、Yamaki模型和静电屏蔽模型等已受到广泛认可。在此基础上,研究者们尝试通过设计三维集流体、表面改性集流体以及构筑原位或人工SEI膜的方式来抑制锂枝晶生长和缓解体积效应,并取得了一定成果。本文系统地介绍了几种典型的锂金属负极失效机制,着重总结了近年来研究者们在锂金属负极结构设计和界面强化方面的研究进展,最后分析了锂金属电池研究中仍存在的问题并给出了一些建议,以期为早日实现锂金属电池的商业化应用提供参考。
基金supported by the National Natural Science Foundation of China(51771076 and 51621001)Guangdong"Pearl River Talents Plan"(2017GC010218)+1 种基金the R&D Program in Key Areas of Guangdong Province(2020B0101030005)Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(2020B1515120049)。
文摘对高续航里程车型的追求使锂金属电池(LMBs)再次引起研究人员的关注.然而,锂金属负极在循环过程中会出现不可控的锂枝晶形成和无限大的体积变化,阻碍了其实际应用.为了解决这些棘手问题,本文采用一种金属有机框架(MOF)衍生路线,在不同的基底(如碳布和铜网)上通用地构建出亲锂三维骨架,以实现无枝晶锂金属负极.作为一个典型的例子.MOF衍生的ZnO/NC(氮掺杂碳)纳米片修饰的三维碳布(CC)被较好地构建为亲锂宿主,用于灌注熔融锂(标记为CC@ZnO/NC@Li).得益于亲锂的N官能团和LiZn合金,制备的CC@ZnO/NC@Li复合负极极大地促进了锂的均匀分布,使电极呈现为无枝晶形貌.同时,三维导电碳骨架可增强反应动力学并缓冲电极的体积变化.因此,CC@ZnO/NC@Li复合负极具有延长的循环寿命,可在5 mA cm^(-2)下以19 m V的低过电位稳定循环超过1000次.与LiFePO_(4)正极相匹配时,CC@ZnO/NC@Li复合负极在全电池系统中也表现出了优异的电化学性能.这种通用策略可为设计金属锂的多功能亲锂性三维宿主拓宽途径.
