金属锂电池用复合固体电解质的研究进展

固体电解质一般分为聚合物、无机陶瓷及由两者组成的复合体系。聚合物/无机陶瓷复合固体电解质综合了聚合物电解质高柔韧性带来的界面稳定性和无机陶瓷电解质室温离子电导率高的优点,广泛应用于金属锂电池。综述以聚合物为主体的聚环氧乙烷(PEO)和聚丙烯腈(PAN)复合电解质,及以无机陶瓷材料为主体的石榴石型、NASICON型和钙钛矿型复合电解质的研究现状及Li+传输机理;展望电解质今后将朝着高离子电导率、低界面阻抗的方向发展。

金属锂电池中碳基梯度亲锂和导电复合锂负极的研究进展

金属锂是下一代高能量密度二次电池的理想负极材料。然而,循环期间不均匀的锂沉积/脱出过程和大体积形变,严重阻碍了金属锂负极的实用化。为了解决上述问题,引入三维骨架形成复合锂负极是一种有前景的策略,可以促进均匀的锂沉积/脱出并缓解负极体积形变。梯度复合锂负极可以引导锂自底向上沉积,从而最大限度地发挥复合锂负极的优势。由于碳骨架具有结构可调节性强、(电)化学稳定和重量轻等特点,碳基梯度复合锂负极受到了广泛关注。本文总结了碳基梯度复合锂负极的最新进展,将其分为梯度亲锂骨架、梯度导电骨架和双梯度骨架,讨论了各类梯度骨架的特点和研究进展。同时,对梯度复合锂负极的发展进行了展望,以望推动复合锂负极在高能量密度电池中的应用。

金属锂电池中的节能控制电路设计技术研究

本文针对金属锂电池中的常规电路通过改变电流输出参数、自动感应金属锂电池内的电流动向,当电流处于停滞饱和状态时,能够自动断开回路,切断锂电池内的电流回流,减小不必要的电流损耗,达到金属锂电池中的节能控制的目的。

固态金属锂电池最新进展评述

金属锂以其高比容量和低电化学势被认为是理想的高能量密度负极材料。然而由于液态金属锂电池中金属锂不均匀沉积形成的锂枝晶易刺穿隔膜导致电池内部短路,存在严重的安全隐患,很大程度上限制了高能量密度金属锂电池的发展。用固态电解质取代液态电解液有望得到高能量密度、长循环寿命和高安全性的固态金属锂电池。如何提高固态电解质的本征特性,如离子电导率、机械强度、电化学窗口,更重要地,如何稳定固态电解质与电极的界面接触特性以及提高电极内部有效的锂离子和电子传输通道是固态电解质研发所面临的关键技术问题。多层结构的固态电解质将会结合不同类型电解质的优势,从而满足固态金属锂电池对固态电解质的诸多要求。

金属有机骨架材料在金属锂电池界面的应用

金属锂电池是下一代高能量密度电池体系的代表。然而,高比能金属锂电池的发展受到界面诸多问题的限制,如:金属锂负极枝晶生长、隔膜界面兼容性、正极界面不稳定等,影响了金属锂电池的界面传质传荷过程,并导致金属锂界面环境恶化、电池的容量衰减、安全性能下降等问题。金属有机骨架(MOF)是一种具有稳定多孔结构的有机无机杂化材料,近年来在高比能金属锂电池领域受到广泛关注。其多孔结构与开放的金属位点(OMs)提供了优异的离子电导率,稳定的空间结构提供了较高的机械强度,多样的官能团与金属节点带来丰富的功能性。本文分析了金属锂电池界面的主要挑战,结合金属锂界面的成核模型,总结了MOF及其衍生材料在解决锂金属负极界面、隔膜界面、以及正负极界面稳定性相互作用等方面的研究进展和作用机理,为解决高比能金属锂电池界面失稳问题提供了解决途径,并展望了MOF基材料的设计与发展方向。

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。

金属锂电池的热失控与安全性研究进展

锂离子电池在便携式储能器件及电动汽车领域得到了广泛应用,然而频繁发生的电池起火爆炸事故,使热失控和热安全问题备受人们关注,目前已有多篇综述报道了缓解锂离子电池热失控的措施。相比于已经接近理论比能极限的锂离子电池,金属锂负极具有更高的比容量、更低的电势和高反应活性,但是不可控的锂枝晶生长,使得金属锂电池的热失控问题更为复杂和严重。针对金属锂电池的热失控问题,本文首先介绍了热失控的诱因及基本过程和阶段,其次从材料层面综述了提高电池热安全性的多种策略,包括使用阻燃性电解质、离子液体电解质、高浓电解质和局域高浓电解质等不易燃液态电解质体系,开发高热稳定性隔膜、热响应隔膜、阻燃性隔膜和具有枝晶检测预警与枝晶消除功能的新型智能隔膜,以及研究热响应聚合物电解质,最后对金属锂电池热失控在未来的进一步研究进行了展望。

原位保护层对金属锂电池循环稳定性的影响研究

金属锂电池在高比能特性方面具有超高的优势,近年来重新获得了储能领域的广泛关注与研究。科研工作者针对金属锂电池锂枝晶生长导致的循环稳定性差和严重的安全问题进行技术攻关,在材料层面对金属锂负极界面保护进行了大量研究。但由于材料和电池器件之间的差距,难以将现有金属锂负极界面保护的研究进展实现实际应用。该研究基于金属锂负极软包电池,研究了不同类型原位保护层对电池循环稳定性的影响,通过对含氟界面保护层和含硅界面保护层在金属锂负极软包电池中的结构和电化学性能进行对比,优选出工程化适用性高,结构性能稳定的锂负极保护方案。

金属锂电池中的节能控制电路设计技术研究

在我们的日常生活以及生产过程中电池都是一个非常重要的存在,其中金属锂电池是电池中一个重要的分支,应用非常广泛。本文主要对金属锂电池中的常规电路进行分析,并通过对电池的电流输出参数、自动感应金属以及电池内的电流动进行改变,从而使得电流处于饱和状态时能够做到自动断开回路,切断锂电池内的电流回流,减小由于电流回流所带来的不必要的电流损耗。

锂枝晶在金属锂动力电池中的应力分布与其对电池循环稳定性的影响评估

本文探讨了锂枝晶在金属锂动力电池中的应力分布以及其对电池循环稳定性的影响。介绍了金属锂电池的重要性和锂枝晶的概念,详细讨论了锂枝晶对电池内部应力梯度和晶体内部应力的影响。探讨了材料特性和电池设计对锂枝晶应力分布的影响。评估了锂枝晶对电池循环稳定性的影响,包括容量损失、安全风险、电池性能退化和充电/放电效率下降。同时,文章也提出了技术改进和挑战,包括锂枝晶抑制技术的发展和实时监测与安全评估的重要性。

采用三明治弹性夹板金属锂电池模块的循环性能研究

由于金属锂二次电池的充放电过程必须由外界给予足够的压力,否则电池内部的负极金属锂材料就会在短短几周内粉末化,进而转变成死锂,造成容量快速衰减。常规采用弹性泡沫垫等作为缓冲材料,该措施大幅度增加了电池模块的重量且提供压强极小,组合比能量和循环性能大幅度不及预期。文章为了克服常规设计存在的问题,设计并研制了三明治结构弹性夹板的金属锂电池模块,该电池模块通过了31周次的0.2C充放电循环测试,循环性能在国内达到了领先水平。然而,刚性泡沫出现了明显的压缩的负面问题,因此在后续仍需持续研究改进,调节各组成部分的结构特性。

卤化物固体电解质新家族实现全固态金属锂电池

The worldwide research on all-solid-state lithium batteries(ASSLBs)flourished in the past decade due to the strong demand for high energy density and safe electrochemical energy storage.Deep understanding of the fundamental issues in ASSLBs is the foundation stone for achieving practical ASSLBs in industry[1-3].

抑制金属锂二次电池锂枝晶生长的研究进展

当前,传统嵌入型锂离子电池已经达到其理论比容量的上限,需要开发新化学体系的电池材料来满足未来高比能量的要求。金属锂的理论比容量高达3860 mAh/g,相对标准氢电极电位低至-3.04 V,这使得金属锂电极成为高比能量二次电池的首选材料。然而,锂金属负极上的枝晶生长及其与电解质界面的不稳定性,导致锂金属负极存在安全隐患、利用率低、使用寿命短等问题,严重阻碍了锂金属电池的实用化。系统地总结了近些年在抑制金属锂二次电池负极枝晶生长方面取得的进展,并对金属锂负极电池的发展提出了展望。

金属锂二次电池研究进展

本文综述了近年来金属锂二次电池的研究进展,主要包括金属锂负极的表面改性、SEI膜的形成和调制、电解质体系的改进及研发,以及电池制备工艺等,并在综述各方面进展的基础上对金属锂二次电池未来的研究方向进行了展望。

金属锂蓄电池负极-电解液相容性研究进展

综述了目前金属锂蓄电池负极-电解液相容性的研究现状。系统地阐述了钝化膜即固体电解质相界面膜(SEI膜)对锂电极性能的影响、SEI膜的结构与组成、SEI膜的形成机制以及锂盐、溶剂种类对锂溶解-沉积过程的影响。最后详尽论述了在目前最佳电解液体系中,锂电极SEI膜的组成、充放电电流密度对其性能的影响以及容量衰减机制。

金属锂表面Sn-Al双金属包覆层的构筑及其空气稳定性研究

金属锂是下一代高能量密度锂电池的首选负极材料,然而其空气稳定性差导致金属锂二次电池工业化制备成本大大提高,开发具有高空气稳定性、优异电化学性能、低制备成本的表面包覆改性锂负极是其商业化的必由之路。在金属锂箔衬底上通过磁控溅射技术沉积一层74 nm厚的Al薄膜,再以相同参数沉积一层3μm厚的Sn薄膜,得到双层金属包覆膜样品Sn@Al@Li。采用扫描电子显微镜观察空气腐蚀前后样品表面形貌变化,结合X射线衍射测试,发现Sn@Al@Li表面金属包覆层形成的表面钝化膜起到了保护作用,使得样品在空气中放置3 h后其表面仍然存在单质金属Sn层,呈现明显的金属光泽。组装半电池进行放电容量测试,容量释放率达到80%,而纯锂样品仅剩14%。Sn@Al@Li不仅大大提高了空气稳定性,同时也一定程度提高了电化学性能,对称电池在1 mA/cm^(2),1 mAh/cm^(2)条件下能稳定循环300 h。双层金属薄膜包覆方法提高空气稳定性的同时也改善了电化学性能,对锂二次电池的商业化应用具有重要意义。

原位构建富氟SEI的凝胶电解质用于金属锂二次电池

以六氟磷酸锂(LiPF6)为四氢呋喃的聚合引发剂制备凝胶电解质,同时作为氟源在金属锂负极表面原位构建富含LiF的固态电解质界面层(solid electrolyte interface,SEI)来抑制锂枝晶的生长以及金属锂/电解液之间的副反应。所制备的凝胶电解质具有较高的室温离子电导率(1.33 mS·cm^(−1))和较宽的电化学稳定窗口(4.5 V)。原位聚合方式组装金属锂对称电池循环后,锂负极表面没有明显的锂枝晶和被损毁的形貌出现;XPS结果表明锂负极表面生成了富含LiF的SEI。组装的LiFePO4全电池在1 C的电流密度下,稳定循环400周后仍保持118.7 mAh·g^(−1)的放电比容量。得益于四氢呋喃在开环聚合反应过程中,促进了LiPF6分解反应平衡的正向移动,在锂负极表面形成稳定的富含LiF的SEI,能够抑制锂枝晶的生长并防止其被持续性的腐蚀破坏。

锂离子电池和金属锂离子电池的能量密度计算

锂电池是理论能量密度最高的化学储能体系,估算各类锂电池电芯和单体能达到的能量密度,对于确定锂电池的发展方向和研发目标具有重要的参考价值。本工作根据主要正负极材料的比容量、电压,同时考虑非活性物质集流体、导电添加剂、黏结剂、隔膜、电解液、封装材料占比,计算了不同材料体系组成的锂离子电池和采用金属锂负极、嵌入类化合物正极的金属锂离子电池电芯的预期能量密度,并计算了18650型小型圆柱电池单体的能量密度,为电池发展路线的选择和能量密度所能达到的数值提供参考依据。同时指出,电池能量密度只是电池应用考虑的一个重要指标,面向实际应用,需要兼顾其它技术指标的实现。

金属锂离子电池可用能量估算方法——锂离子电池管理研究之一

金属锂离子电池相比锂电池在容量保持不变的情况下体积缩小了一半,未来在电动汽车领域中有着十分广泛的应用前景。金属锂离子电池能量估算是电池管理系统中的重要一个参数,为了能够正确估算出电池可用能量,需要采用相关方法与模型,通过开路电压、智能估算技术得到电池可用能量。基于此,本文重点探究金属锂离子电池可用能量估算方法。

金属锂电池的回归

锂离子电池无所不在:电子产品、汽车、机器人和电网存储中皆有它们的身影。目前,全球锂离子电池年产量约达160吉瓦时。3位主要开发者凭借这项革命性的技术获得2019年诺贝尔化学奖。然而,锂离子电池并非十分完美。对于长期存储的应用而言,它仍然价格太高,而且易于起火。