下一代高能電池：鋰金屬電池復(fù)興！

【引言】

鋰金屬電池（LMBs）是最有希望的下一代高能量密度存儲(chǔ)設(shè)備之一，能夠滿足新興行業(yè)的嚴(yán)格要求。然而，直接應(yīng)用金屬鋰可能帶來安全問題、較差的倍率和循環(huán)性能，甚至負(fù)極材料在電池內(nèi)部的粉碎。其主要原因包括大極化和強(qiáng)電場引起的異質(zhì)沉積導(dǎo)致的枝晶生長、金屬鋰極度活潑、循環(huán)時(shí)鋰體積無限變化等。這些缺點(diǎn)嚴(yán)重阻礙了LMBs的商業(yè)化。

電池領(lǐng)域的各研究小組深入探討了鋰金屬負(fù)極的失效機(jī)理，提出了解決上述問題的有效方法。鋰離子的沉積行為、枝晶成核和生長機(jī)理、負(fù)極-電解質(zhì)界面的影響等得到了深入研究。2014年~2016年，500多篇涉及上述難題的論文得以出版，2016年以來平均每月有15篇相關(guān)文章出爐。這些研究對下一代高能量密度LMBs鋰負(fù)極的復(fù)興起了很大作用。

近日，華中科技大學(xué)的翟天佑教授和李會(huì)巧教授（共同通訊）等人在Advanced Materials上發(fā)表了題為“Reviving Lithium-metal Anodes for Next-Generation High-Energy Batteries”的綜述文章。文章介紹了鋰離子沉積/溶解行為的最新進(jìn)展，以及鋰金屬負(fù)極的失效機(jī)理。

綜述總覽圖

1 概述

高端通信終端、電動(dòng)汽車（EV）、航空航天、大型儲(chǔ)能站等新興行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，因此高能量密度存儲(chǔ)已成為當(dāng)務(wù)之急。鑒于壽命和安全性，現(xiàn)有的“搖椅式”鋰離子電池（LIBs）或鈉離子電池（NIBs）是合適的選擇。但是即使插入式LIB系統(tǒng)的能量密度通過調(diào)節(jié)電池的每個(gè)部件能接近其理論值，卻仍然遠(yuǎn)低于預(yù)期能量水平。主要原因在于循環(huán)過程中的單離子嵌入反應(yīng)嚴(yán)格限制了正極的能力。無論是層狀LiCoO2、富Li或富Ni的LiMO2（M = Ni、Co、Mn等）、摻雜尖晶石LiMxMn2-xO4（M = Ni、Cu、Cr、V等）還是橄欖石LiFePO4，它們都不能實(shí)現(xiàn)大于250mA h g-1的容量。這種情況促進(jìn)了基于多離子反應(yīng)的正極的發(fā)展，例如理論容量高達(dá)1672mA h g-1的S和O2。

值得一提的是，這些無鋰正極只有在與含鋰負(fù)極配對時(shí)才能投入實(shí)際應(yīng)用。金屬鋰本身可以作為S和O2正極的理想負(fù)極，因?yàn)樗哂凶罡叩睦碚撊萘浚?860 mA h g-1），最低的密度（0.59 g cm-3）和最負(fù)的電化學(xué)電位（-3.04 V ）。與現(xiàn)有的LIBs相比，金屬鋰作為負(fù)極進(jìn)一步提高了鋰金屬電池（LMB）的能量密度，如圖1所示，Li-O2和Li-S電池系統(tǒng)分別具有高達(dá)3505 W h kg-1和2567 W h kg-1的理論能量密度。這些鋰金屬電池系統(tǒng)充分發(fā)揮了金屬鋰的優(yōu)勢，具有滿足新興行業(yè)嚴(yán)格要求的巨大潛力。

圖1 鋰離子電池和鋰金屬電池示意圖以及失效機(jī)理

a)鋰離子電池示意圖；

b)鋰金屬電池示意圖；

c)典型電極材料在電壓和容量方面的比較，LMBs的能量密度遠(yuǎn)大于LIBs；

d)鋰枝晶引起的安全問題；

e)連續(xù)副反應(yīng)引起的較低的循環(huán)性能；

f)負(fù)極內(nèi)無限的體積變化引起的負(fù)極粉碎。

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