锂金属负极中人工固体电解质间相保护膜研究进展

介绍了锂电池的发展,锂金属电池的优势及面临的挑战,即锂金属电池存在循环稳定性差和枝晶生长的问题。对此,可以在锂负极表面构建一种人工固体电解质间相(SEI)保护膜。叙述了SEI保护膜的形成、研究方向和负极材料所具备的条件,讨论了锂金属负极电池发展方向,认为锂金属负极电池的需要在基础研究、材料开发和电池工程等方面付出更多的努力。

金属锂电池负极界面氮化硼修饰膜的研究

金属锂负极由于具有超高的比容量(3 860 mA·h/g)与超低的还原电位(-3.04 V),其应用能够大幅提升现有锂离子电池的能量密度。然而,金属锂与电解液持续不断的副反应可导致电池的严重极化、非活性锂的增加及电池容量的迅速衰减。为了提升金属锂电池的循环性能,采用氮化硼薄膜作为金属锂表面的人工固体电解质膜(SEI膜)抑制其与电解液之间的副反应,以实现金属锂电池的长循环。采用简单易操作的喷涂沉积法,可将氮化硼薄膜均匀地沉积于金属锂表面,并通过电化学阻抗谱探索了最佳沉积次数。氮化硼SEI膜具有离子导通且电子绝缘的特性,成功地抑制了界面副反应与电池的极化增加。相比未经修饰的金属锂,经氮化硼修饰后,电池负极单位面积阻抗由4.6Ω/cm^(2)降低至1.2Ω/cm^(2)。所组装的锰酸锂/金属锂电池首圈库伦效率由89.2%提升至96.6%;1C条件下循环300次后,容量保持率由86.3%提升至94.6%。

新能源汽车用氮化锂人工固态电解质膜的研究

金属锂具有极高的理论容量(3 860 mAh/g)与极低的还原电位(-3.04 V),作为负极材料将使电池能量密度大大提升,有望实现大于400 Wh/kg的目标,并使新能源汽车续航里程大大延长。然而,金属锂负极与电解液的不断反应在消耗电解液的同时,亦会增大电池内阻。在实验中,采用添加人工固体电解质膜的方法,在抑制金属锂与电解液反应的同时,氮化锂的高离子电导率亦能实现金属锂表面的锂离子的快速传输,使电池具有较低的内阻。得益于氮化锂固体电解质膜的缓冲作用,所组装的锂/锂对称电池可在0.4 mA/cm~2电流密度下稳定循环1 000 h,临界电流密度达到1.8 mA/cm~2;钴酸锂/金属锂软包半电池1 C条件下循环300圈后,容量保持率可达93.1%。