淺析關于金屬鋰負極的機遇與挑戰(zhàn)

早在索尼推出首款商用鋰離子電池之前采用金屬鋰負極的鋰電池已經被廣泛的應用，但是金屬鋰負極在充電的過程中存在鋰枝晶的問題，鋰枝晶會引起兩方面的問題：1)鋰枝晶生長到一定的程度后發(fā)生斷裂成為死鋰，導致電池容量衰減；2)鋰枝晶不斷生長，最終會刺穿隔膜，導致正負極短路，引發(fā)熱失控。鑒于以上原因，早期的金屬鋰電池都是作為一次電池使用，雖然其比能量很高，但是由于成本高昂，導致其應用領域受限，只能應用在一些高端領域。

隨著人們對鋰離子電池能量密度的要求不斷提高，現(xiàn)有的石墨/過渡金屬氧化物體系已經難以滿足超高比能量的要求，于是金屬鋰負極由開始進入人們的視野。要采用金屬鋰負極首先要解決的就是鋰枝晶的問題，傳統(tǒng)的固體電解質很難在機械強度和離子電導率兩個方面都滿足金屬鋰電池的要求，好在人們已經尋找到了克服鋰枝晶的有效方法，為金屬鋰負極的應用鋪平了道路。近日，來自法國巴黎的A. Mauger等人在Journal of Power Source雜志上發(fā)表文章，全面回顧了金屬鋰負極的研究成果。

1. 金屬鋰負極表面研究

1.1提高金屬鋰負極的活性面積

研究顯示降低金屬鋰表面的電流密度可以顯著的抑制鋰枝晶的產生，為了提高金屬鋰負極的比表面積，降低電流密度，人們嘗試將金屬鋰制備成為粉末，但是金屬鋰粉不但昂貴，而且十分危險，因此該方法并不適用。另外一種方法是微針表面改性法，利用裝由微針的滾輪，可以在金屬鋰負極的表面產生凹坑，研究顯示這種方法可以顯著的降低電池的阻抗和極化。

1.2優(yōu)化Li-電解液界面機械特性

為了抑制鋰枝晶的生長，固態(tài)電解質的剪切模量需要達到6GPa，聚合物電解質的剪切模量通常可以達到105Pa，能夠長期抑制鋰枝晶的生長，防止正負極短路。

1.3金屬鋰表面保護

在金屬鋰負極的表面加上一層無機或有機人造SEI膜層，不僅能夠使得Li+沉積的更加均勻，還能在Li+沉積時產生必要的應力，防止鋰枝晶的產生。

另外一種行之有效的辦法是在電解液種添加少量的還原電勢稍低于Li+的Cs+和Rb+，研究顯示在Cs+和Rb+濃度<0.1mol/L時，當局部形成Li枝晶時，由于較高的電流密度，會吸引Cs+和Rb+，從而在枝晶的表面形成一層帶有正電荷的離子層，從而對Li+形成排斥，促使Li+到其他區(qū)域沉積，從而阻止鋰枝晶的生長。

2.電解液改性

2.1固態(tài)聚合物電解質

PEO因為低玻璃態(tài)轉變溫度和良好的Li鹽溶解性，使其非常適合作為固態(tài)電解質適用，但是遺憾的是PEO的離子電導率不高，難以適應大電流放電的需求。PEO低離子電導率主要是因為，其在低溫下部分結晶，限制了離子遷移速度，其中一種解決方法是引入共聚物，抑制電解質結晶。