金屬鋰負(fù)極強(qiáng)勢(shì)崛起 硅負(fù)極準(zhǔn)備好了嗎？

隨著鋰離子電池能量密度的不斷提高，傳統(tǒng)的石墨材料(理論比容量?jī)H為372mAh/g)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的需求，人們相繼開發(fā)出了多款高比容量的負(fù)極材料，Si基負(fù)極，Sn基負(fù)極和N摻雜石墨等材料，這其中Si基材料是目前高容量負(fù)極材料中技術(shù)成熟度較高，已經(jīng)進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用階段的材料。此外，傳統(tǒng)的高容量負(fù)極材料金屬鋰也隨著Li-S和Li-O2等電池的研究，安全性問題也逐漸得到了克服，金屬鋰負(fù)極在二次電池中的應(yīng)用也已經(jīng)開始進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用階段。

金屬鋰負(fù)極與Si負(fù)極相比可以說(shuō)各有千秋，那么誰(shuí)能夠在未來(lái)高比能電池負(fù)極材料的競(jìng)爭(zhēng)中勝出呢？

金屬鋰負(fù)極的比容量為3860mAh/g，電勢(shì)為3.04V(vs 標(biāo)準(zhǔn)氫電極)，非常適合作為電池負(fù)極使用，Dingchang Lin 計(jì)算表明「1」，如果將鋰離子電池中的石墨負(fù)極，替換為金屬鋰負(fù)極，比能量可達(dá)到440Wh/kg，幾乎是現(xiàn)有鋰離子電池的兩倍，而Li-S和Li-O2電池更可以將比能量進(jìn)一步提高到650Wh/kg和950Wh/kg。Li-S電池和Li-O2電池經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，人們對(duì)于金屬鋰負(fù)極的研究已經(jīng)相當(dāng)充分，已經(jīng)提出了多種可行的方法克服金屬鋰負(fù)極的枝晶和體積變化等問題，特別是固態(tài)電解質(zhì)的使用，讓金屬鋰負(fù)極向著實(shí)際應(yīng)用跨出了一大步。

金屬鋰負(fù)極應(yīng)用繞不開的是鋰枝晶的問題，早期人們對(duì)于鋰枝晶的認(rèn)識(shí)主要來(lái)自于其他金屬電解過(guò)程中枝晶產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)于鋰電池內(nèi)鋰枝晶形成機(jī)理更多是“猜測(cè)”。而在2014年，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Robert L. Sacci等「2」利用原位透射電鏡技術(shù)直接在玻璃碳表面觀測(cè)到了鋰枝晶的形成過(guò)程，從下面的動(dòng)畫可以看到，不同于傳統(tǒng)的枝晶的概念，鋰枝晶首先以球形出現(xiàn)的，其表面擁有一些納米球，這些納米球具有一定角度的小面，隨后的在一次鋰顆粒的表面進(jìn)行的二次結(jié)晶生長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生許多其他形狀的鋰晶體，如球形、多面體和針狀等。

界面問題是解決鋰枝晶問題的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的有機(jī)碳酸酯類電解液所形成的SEI膜缺少?gòu)椥?，從而?dǎo)致在界面波動(dòng)時(shí)SEI膜非常容易受損，使得庫(kù)倫效率下降，因此通過(guò)一定手段改善金屬鋰負(fù)極的表面結(jié)構(gòu)，對(duì)于提升金屬鋰負(fù)極的穩(wěn)定性是非常有幫助的。例如在金屬鋰負(fù)極的表面形成一層具有一定強(qiáng)度的人造SEI膜(如Li3PO4)，能夠很好的穩(wěn)定界面，抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)，此外具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和電化學(xué)穩(wěn)定性的固態(tài)電解質(zhì)是抑制鋰枝晶的有效手段。電解液添加劑也是改善金屬Li界面穩(wěn)定性的常用方法，例如在碳酸酯類電解液中添加少量的低還原電勢(shì)的堿金屬離子，如Cs+和Rb+，在局部出現(xiàn)鋰枝晶，導(dǎo)致此處電流密度增大時(shí)，Cs+和Rb+能夠快速聚集在鋰枝晶表面，形成一層靜電層從而防止Li繼續(xù)在此處沉積，達(dá)到抑制鋰枝晶生長(zhǎng)的作用「1」。

3 第1頁(yè)/共3頁(yè)   首頁(yè)   下一頁(yè)   上一頁(yè)   尾頁(yè)