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。

复合金属锂负极的定量模型新进展

锂金属具有极高的比容量和极低的氧化还原电极电势,是二次电池领域最核心的能源材料之一。然而,金属锂负极面临着体积膨胀和不均匀锂沉积等挑战。在金属锂负极中引入三维骨架构建复合锂负极,是缓解体积膨胀、调控锂沉积的有效方法。复合金属锂负极成分和结构复杂,影响电化学反应的因素强耦合。随着物理化学模型进步和计算水平的大规模提升,采用数值模型分析可以有效研究复合锂负极中的物理化学机制。本文首先总结了复合金属锂负极中发生的核心过程机理,回顾了物理化学模型的发展进程。随后介绍了复合锂负极表面电场、离子场等电化学传质过程的定量模型,综述了基于相场模型或有限元模型对锂沉积形貌动态演变机制分析和调控策略的进展,最后从力-电化学场的角度分析了复合锂负极在循环过程中的结构稳定性。这些定量模型工作揭示了锂负极的电化学原理,推动了复合锂负极的高效筛选和优化设计。

LiC_(6)在复合锂负极中的作用、形成和表征

锂金属电池(LMB)被认为是最有前景的下一代储能系统之一。然而,其实际应用存在极大的体积变化和锂枝晶的形成等重大挑战。为了应对这些挑战,引入炭材料的复合锂负极因其优异的化学和电化学稳定性以及在重复循环过程中的优异机械强度引起了极大关注。本文旨在全面概述锂化石墨(LiC_(6))的形成及其在锂沉积和剥离过程中在体相和界面区域的作用。在体相中,LiC_(6)表现出优异的亲锂性能,降低了锂成核的过电位并促进锂的均匀沉积。当在电极-电解质界面引入LiC_(6)时,它通过充当缓冲层来增强电极和电解质之间的接触,从而降低界面阻抗。最后,本文评述了锂碳复合负极发展的前景和挑战。

固态锂金属电池中原位聚合电解质的研究进展

在下一代电池体系中,固态金属锂电池具有高能量密度潜力,同时有望避免目前电池面临的燃烧、爆炸等安全隐患.其中,固态电解质和电极材料之间的固-固界面接触差是其实用化面临的重要挑战.近年来,经电池内部原位聚合反应制得的原位聚合电解质用于固态锂金属电池具备界面一体化提升固-固界面相容性、抑制枝晶的形成、抑制正极过渡金属离子/多硫化物/氧化还原介质的溶解/穿梭并提升电池电化学性能多种优势.本文首先讨论了聚合电解质的反应机理,然后分析了电池内部常见电解质的原位聚合原理,总结了固态锂金属电池中原位聚合电解质的最新研究进展.最后,对未来原位聚合电解质的发展方向和商业化应用进行了展望.

固态金属锂负极界面研究进展

开发下一代高安全性、高能量密度电池是电动汽车、可穿戴便携电子设备与可再生能源高效利用的关键。固态金属锂电池是极有希望的下一代电池体系。本文首先综述了固态电解质与界面特性,包括固态电解质中的离子传输机理和固态电解质分类,指出金属锂电极与固态电解质之间有限的固-固界面接触是固态金属锂电池实用化的重要挑战,其界面演变特性主导了固态电池的性能表现。界面演变是机械-化学-电化学耦合的过程。其次,文章综述了电池界面失效机制与构筑策略,指出界面失效包括枝晶状沉积引发的电池短路与空穴累积、副反应导致的电化学界面脱触等,使用界面润湿剂、引入界面缓冲层或构造三维多孔骨架结构化电极等是解决界面问题的重要手段。最后,文章总结指出,固态金属锂电池仍有巨大的进步空间,先进的理论研究和表征手段为进一步认识和理解固-固界面提供了新的机遇,通过界面化学、材料科学、系统工程等领域的交叉共融,有望共同推动下一代高安全、高能量密度固态储能技术的发展。

金属锂电池中力-电化学机制研究进展

以金属锂作为负极的金属锂电池具有极高的能量密度,有望成为下一代高比能量二次电池。然而,在充放电过程中,金属锂负极的相变转化机制、枝晶状形貌沉积特性使得电池具有巨大且极不均匀的内部体积变化。因此,相比于插层机制的锂离子电池,金属锂电池面临着锂枝晶生长、锂枝晶断裂与粉化、固体电解质(SEI)膜破裂、电解质/隔膜机械失效等更为严重的力-电化学相关问题。本文首先总结金属锂的弹性、塑性与黏性力学特性,并着重介绍了电沉积锂展现的尺寸效应,随后综述了金属锂电池环境中的力-电化学机制研究进展。针对液态电解质环境,介绍了应力驱动下的锂枝晶生长机制、界面(金属锂与SEI、负极与隔膜、金属锂与集流体)相互作用机制以及外压力调控机制。针对固态电解质环境,介绍了固-固界面接触带来的离子输运影响以及电解质体相/晶界/孔隙与金属锂之间的相互作用机制。最后,对当前金属锂电池中的力-电化学机制研究进行了总结并对未来发展方向进行了展望。

全固态锂硫电池正极中离子输运与电子传递的平衡

全固态锂硫电池可抑制锂枝晶生长,且可避免多硫化物穿梭等问题,被认为是极具前景的下一代储能体系。固态正极中活性物质硫的绝缘性,使得电化学氧化还原需要离子传输和电子传递网络的双连通。而如何平衡固态正极中离子输运与电子传递路径是实现电池稳定运行的关键。面向未来高比能储能体系,本文在40%(质量分数,下同)的高硫含量复合正极中,通过调控复合正极中电子导体碳纳米管(CNT)与离子导体Li10GeP2S12(LGPS)相对含量,借助扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)与拉曼测试以及电化学测试与表征等,考察不同CNT与LGPS比例下硫正极的电子导率与离子导率,并通过对比硫正极的首圈放电容量以及在第二圈的容量保持率,从而探索正极设计的离子通路与电子通路的最优平衡条件。结果表明,硫正极中LGPS电解质含量低时,锂离子传输受阻;当LGPS电解质含量高时,电子传递阻力大且反应活性界面有限。因此,综合对比放电容量与容量保持率,可以得出40%高硫含量正极中,离子输运与电子传递的最优平衡条件是CNT和LGPS的含量分别为15%和45%,此时全固态锂硫电池首圈放电比容量621 mA·h/g,容量衰减率为3%。

固态金属锂电池研究进展:外部压力和内部应力的影响

固态锂金属电池具有理论能量密度高、安全性高等优势,是极有前景的下一代储能系统。然而,固体电极与固体电解质之间有限的固–固接触严重阻碍了界面离子的传输。因此,增加外部压力是增加固–固接触及延长电池循环寿命的重要途径。同时,在充放电过程中,电极体积变化产生的内应力也将影响电池界面特性。通过介绍两种基本物理接触模型,结合硫化物、氧化物、聚合物电解质以及金属锂的物理性质,综述了外压和内部应力对电解质、电极及电池的影响。最后,对外压力与内应力在全固态金属锂电池中的作用进行了总结和展望。

基于局部高盐界面润湿策略构筑的固态金属锂软包电池

固态金属锂电池因其优异的安全性和高的理论能量密度被认为是最具前景的下一代储能电池体系之一。随着以硫化物为代表的高离子导率电解质被逐渐开发,金属锂与固态电解质界面成为限制固态电池应用的主要瓶颈。金属锂/电解质的固固界面存在着界面接触差、界面电荷传输阻力高等问题。本文以固态金属锂软包电池为研究对象,通过由1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚、乙二醇二甲醚与双三氟磺酰亚胺锂组成的局部高盐液态电解液(HFE-DME LiTFSI)对金属锂/固态电解质界面进行润湿,增加金属锂与固态电解质之间的离子接触,降低离子传输阻力,从而提高锂离子在界面的传输能力。在30 mm×30 mm Li|Li4Ti5O12(LTO)固态软包电池中,通过3.0μL·cm^(−2) HFE-DME LiTFSI局部高盐液态电解液润湿金属锂与固态电解质界面,软包电池的界面电阻从4366Ω·cm^(−2)降低到了64Ω·cm^(−2)。在0.1C与0.5C倍率下,LTO的放电比容量分别达到107与96 mAh·g^(−1)。同时,Li-S固态软包电池在0.01C及0.02C下,比容量也达到了1100与932 mAh·g^(−1)。

实用化复合锂负极研究进展

金属锂由于其超高理论比容量和极低电极电势,被视为下一代高比能电池理想的负极材料之一。然而,在实用化的条件下其巨大的体积膨胀及不均匀锂沉积等问题成为障碍。构建三维复合金属锂负极是调控金属锂沉积的有效方法。本文首先对实用化条件下[超薄金属锂(<50μm),较低的负极/正极面容量比(<3.0)和较低的电解液量下(<3.0 g/Ah)]金属锂的沉积脱出规律进行总结,指出复合锂负极的设计是解决金属锂负极问题的有效途径。其次,本文从骨架材料的角度出发,综述了当前实用化条件下应用纳米以及微米结构骨架的复合锂负极的研究进展。目前人们也将制备的复合锂负极逐步在实用化条件下进行评测,并应用在软包电池中取得了较好的效果。在此基础上,本文还总结了当前复合锂负极研究面临的问题,指出应该采用解构的方法分析骨架的单个参数对锂沉积脱出行为的影响,从而对骨架材料进行理性的设计。同时,我们展望了复合锂负极未来的研究方向,以望促进高比能金属锂电池的发展。

柔性硫化物固态电解质研究进展

采用固态电解质的固态锂电池有望从根本上提高电池的安全性能及能量密度,被认为是最具应用前景的下一代电池技术之一。在诸多固态电解质中,硫化物固态电解质由于超高的离子电导率被认为最具实用化前景,但固态电解质膜易碎、难以加工等问题严重阻碍了其在固态电池中的应用。近年来,大量研究成果表明在固态电解质中引入柔性聚合物或柔性支撑载体等可以实现固态电解质膜的柔性化,从而可以解决固态电解质在规模化、薄膜化制备过程中脆裂问题。因此,固态电解质柔性化是推动固态电池工业化的重要解决方案之一。首先介绍了硫化物固态电解质的理化性质及发展历程,随后,总结了聚合物自支撑方法与柔性骨架支撑策略在固态电解质柔性化方面的研究进展,并分别讨论了湿法和干法工艺在硫化物固态电解质柔性化方面的技术特点和优劣,最后对未来发展趋势进行了展望,旨在进一步推动固态锂电池迈向实用化。