金属锂电池死锂形成机制及解决策略

锂作为一种高容量负极,是构筑高比能金属锂电池的关键材料。然而金属锂电池实际应用仍面临诸多挑战,尤其是死锂问题,导致电池循环寿命和安全性严重下降。本文从死锂的形成机制、表征技术和解决策略三个方面开展论述。死锂主要来源于不完全的脱锂过程,以及锂的化学/电化学腐蚀,后者在电池充放电以及日历老化过程中都会发生。结合作者及合作者近期的相关研究报道,本文讨论了冷冻电镜、原位光学显微镜/拉曼光谱、三电极电化学技术等在死锂微观结构组成及其形成演变机制方面的应用。概括了通过设计骨架支撑锂的体相结构,引入保护层稳定界面,配置高性能电解液/固态电解质等死锂抑制型策略,减少死锂的产生和积累。此外,分析了解决死锂问题的激活策略,利用氧化还原对实现死锂的转化、迁移、存储和再利用。由于锂腐蚀、界面溶解、内电场作用等,实际电池体系中死锂的结构组成、空间分布等都存在复杂的动态变化,仍需开展大量研究剖析死锂的动态演变机制,提出根治死锂问题的科学思路。

锂离子电池电极中锂枝晶的实时原位观测

锂离子电池尽管已成为便携式电子设备的主流电源,也是电动汽车、混合动力汽车等电源的主要选择之一,但依然存在使用过程中因形成锂枝晶而发生内短路的安全隐患。本文设计了一个宏微观实验研究商业用锂离子电池电极材料的充放电循环性能。在常温小电流充放电条件下,实时原位地观测锂枝晶的产生、生长、消融以及死锂残留等过程。实验结果揭示了锂枝晶不仅仅只是大电流过充或低温充电状态下的产物,常温常态小电流充电条件下依然能够生成锂枝晶。实验发现:锂枝晶出现在充电后期,随后直线伸长,尖端区域形貌保持不变;放电时,锂枝晶逐渐消融,尖端区域形貌依然不变,放电结束后电极上有死锂残留。