锂金属电池中复合固态电解质与负极界面的研究进展

与传统锂离子电池相比,全固态锂金属电池因其安全性好、能量密度高的特点备受关注.但是电极与固态电解质的固固接触带来较大的界面阻抗,而锂金属较为活泼易与固态电解质发生反应,造成了界面不稳定.界面问题已经成为制约全固态电池发展的关键因素之一.有机-无机复合固态电解质兼顾无机固态电解质和有机固态电解质的优势,具有较高离子电导率和一定的力学强度,展现出优异的实用化前景.本文综述了近年来复合固态电解质与金属锂负极界面改性的研究进展,总结了当前界面改性的主要研究思路:包括在界面构筑"软接触"、调节固态电解质的力学性能以及调控界面处锂离子的沉积动力学过程等.同时,也对今后界面改性的研究趋势进行了展望.     

聚合物固态电解质-锂负极界面的研究进展

固态锂电池是新能源领域最有希望的下一代高能量密度电池体系之一。本文以聚合物固态电解质-锂负极界面的构型特征和形成机理为基础, 系统讨论界面接触性、界面化学和电化学反应、锂负极枝晶生长等问题对二者之间的界面稳定性与兼容性的影响。基于此, 本文重点阐述了掺杂改性、结构设计等手段在三种聚合物基体与锂负极之间的界面的应用。此外, 本文还综述了常见界面表征手段及其在聚合物固态电解质-锂负极界面的应用情况。最后, 基于设计和构筑稳定的聚合物固态电解质-锂负极界面的相关策略, 本文对掺杂、核层设计等界面优化手段的发展前景进行分析与展望。     

高性能锂金属电池负极结构设计及界面强化研究进展

锂离子电池(LIBs)作为目前使用最广泛的二次电池,绝大多数以理论比容量较低的石墨(372 m Ah/g)为负极,已无法满足人们日益增长的对电池储能性能的要求。金属锂因其超高的理论比容量(3 860 m Ah/g)和最低的还原电势(-3.04 V,相比于氢标准电极)被看作是下一代高能量密度可充电锂电池最理想的负极材料。尤其是当金属锂与硫、氧组成锂-硫或锂-氧电池体系时,其理论能量密度远超锂离子电池,受到研究者的广泛关注。然而,库伦效率低和稳定性差一直是限制锂金属电池商业化应用的关键因素。当金属锂直接用作电池负极时,其易与电解液反应,在其表面形成一层脆弱的固态电解质中间相(SEI)膜。电池循环时,负极体积膨胀会破坏SEI膜,诱导锂枝晶和“死锂”形成,造成不可逆的容量损失。此外,锂枝晶生长至一定程度后会刺穿隔膜,导致电池内部短路甚至发生爆炸,引发严重的安全问题。为了解决上述问题,研究者们在锂金属负极失效机制、结构设计及界面强化等方面进行了许多探索。一些研究枝晶生长的理论模型如Chazalviel-Brissot模型、Yamaki模型和静电屏蔽模型等已受到广泛认可。在此基础上,研究者们尝试通...     

人造固态电解质界面在锂金属负极保护中的应用研究EI北大核心CSCD

锂金属具有最低的氧化还原电位(-3.04V vs标准氢电极)和极高的比容量(3860mAh·g^-1),是理想的锂二次电池负极材料.然而电化学循环过程中,由于锂的不均匀成核生长,其表面产生锂枝晶,锂枝晶持续生长会刺穿隔膜,造成电池短路甚至引发火灾.因此需要对锂金属负极进行保护,抑制负面问题,发挥高性能.人造固态电解质界面技术是一种有效的锂金属负极保护策略,本质是预先在锂金属表面涂覆上保护层,保护层具有较高的离子传导性和电化学稳定性、较好的阻隔性和机械强度,可得到高效率、长寿命和无枝晶的锂金属负极.本文将近年来人造固态电解质界面在锂金属负极保护中的研究进展进行综述,对其制备方法、结构特点、锂金属负极循环性能、全电池电化学性能等方面作了详细介绍,分析当前存在问题并指出锂金属负极研究不仅需要加深机理研究还得与实际应用相结合.     

全固态锂硫电池中界面问题的研究现状

由于锂金属负极的理论比容量和固态电解质的安全性高,全固态锂硫电池越来越受到研究者的青睐.与液态锂硫电池相比,全固态锂硫电池最大的不同在于使用固态电解质替换了液态电解质,且固态电解质材料不可燃,因此有着更高的安全性.此外,经过优化处理后的固态电解质有着足够的机械强度,可以有效抑制锂枝晶的产生.同时在产品的制备和运输方面,全固态电池也有着更大的优势.然而,全固态电池中存在着大量的固固界面,这些固固界面会导致在循环过程中产生界面电阻、体积畸变等一系列问题,会制约全固态锂硫电池的商业应用.因此,近年来学者们对固固界面进行了广泛的研究,不断改进制备工艺,表征界面变化过程,并对离子迁移路径进行了模拟和验证.目前,全固态锂硫电池已经有部分投入了商业应用.全固态锂硫电池主要包括含硫正极、锂金属负极和固态电解质,而固态电解质主要分为无机固态电解质和有机固态电解质两大类.因此,对固态电解质界面的研究也可以分为两大类:一类是固态电解质内部界面,包括无机电解质与无机电解质之间的界面或者无机电解质与有机电解质之间的界面,该界面主要对离子电导率有着重要影响;另一类主要包括固态电解质与正负极之间的界面,对电池的化学稳定性、体积稳定性和离子电导率等均存在较大的影响.近年来,研究者发现通过改变混合方法、粒径、多孔基体和体积压力等能够有效改善界面.同时,随着表征技术的发展,越来越多的原位界面表征技术能够更加直观地展现界面的变化状态.本文系统性地阐述了全固态锂硫电池的内、外界面存在的问题和研究现状,并探讨了全固态锂硫电池未来的发展趋势和研究重点,以期为制备稳定、高性能的全固态锂硫电池提供参考.     

合金材料在锂金属负极中的应用研究进展

金属锂具有极低的电极电势及超高的比容量，是高比能锂二次电池的理想负极材料。然而，锂枝晶生长、体积膨胀效应及界面不稳定等问题限制了其商业化应用。通过合金负极、界面保护、负极结构设计及固态电解质等策略，可显著改善上述问题。锂合金材料具有高比容量、高离子电导率及良好亲锂性等特点，在上述策略中均扮演着重要角色。本文介绍合金材料的电化学性质，综述近年来合金材料在锂金属负极中的应用研究进展；最后梳理合金材料在锂金属负极中应用所面临的问题，并提出加强基础理论研究等建议。     

人造固态电解质界面在锂金属负极保护中的应用研究

锂金属具有最低的氧化还原电位(-3.04 V vs标准氢电极)和极高的比容量(3860 mAh·g~(-1)),是理想的锂二次电池负极材料。然而电化学循环过程中,由于锂的不均匀成核生长,其表面产生锂枝晶,锂枝晶持续生长会刺穿隔膜,造成电池短路甚至引发火灾。因此需要对锂金属负极进行保护,抑制负面问题,发挥高性能。人造固态电解质界面技术是一种有效的锂金属负极保护策略,本质是预先在锂金属表面涂覆上保护层,保护层具有较高的离子传导性和电化学稳定性、较好的阻隔性和机械强度,可得到高效率、长寿命和无枝晶的锂金属负极。本文将近年来人造固态电解质界面在锂金属负极保护中的研究进展进行综述,对其制备方法、结构特点、锂金属负极循环性能、全电池电化学性能等方面作了详细介绍,分析当前存在问题并指出锂金属负极研究不仅需要加深机理研究还得与实际应用相结合。     

石榴石型Li7La3Zr2O12固态电解质离子电导率及电极界面问题研究进展

石榴石型Li₇La₃Zr₂O₁₂(LLZO)固态电解质因高安全性且对锂金属稳定成为固态锂电池的关键材料。但是,石榴石型固态电解质离子电导率还有待提高以及固-固界面不良接触导致的界面电阻大等问题使LLZO基固态电池的实际应用受到了限制。从石榴石型LLZO结构角度出发,探讨了锂离子输运机制并综述了提高离子电导率的策略及最新成果。针对固态锂电池无法避免的界面问题,从LLZO固态电解质与同为固态的电极接触方面,总结了优化界面的具体方法。最后,提出了石榴石型固态电解质未来可研究的方向,并促进其在全固态锂电池中的发展和应用。     

金属锂负极的关键技术与研究进展

综述了近几年科研工作者基于金属锂负极本身的改性的最新研究进展。金属锂的理论质量比容量达3860 mAh/g,密度为0.534 g/cm^3,标准还原电位为-3.045 V,这些优势使得金属锂成为下一代理想的锂二次电池(如锂硫、锂空气电池等)的负极材料。然而,锂离子的不均匀沉积导致的锂枝晶生长、体积膨胀及其随之带来的电池安全隐患和循环寿命的降低等缺陷严重困扰着金属锂电池的发展。本文从机械地增加锂负极的表面积、锂合金负极及混合锂负极、锂负极表面层以及二维三维基底四个方面对金属锂负极的改性进行分析。最后提出要实现金属锂电池的产业化,应从解决锂枝晶和体积膨胀两个方面,通过结合不同改性方法进行研究探索。     

新型硅-硫锂电池研究进展

高比能量、高安全性是未来储能系统的重要发展方向,在电子产品、航天设备、高续航电动汽车等诸多领域均有迫切需求。硅具有很高的理论比容量,电压平台接近金属锂,采用硅替代锂金属作为负极可以得到新型硅-硫锂电池。本文阐述了新型硅-硫锂电池的特征及存在的关键问题,介绍了全电池中锂源的引入方式,综述了新型硅-硫锂电池正、负极的制备技术及研究进展,总结了不同制备方法存在的优缺点,并详述了目前液态电解质的常见组成、研究进展以及存在的问题。最后结合硅-硫锂电池的发展趋势提出未来重点研究的几个方向,如优化电极/电解质界面、开发固态电解质等。     

Ionic conductivity of lithium phosphate-doped lithium orthosilicate

The ionic conductivities of samples of lithium orthosilicate containing up to 50 mole % of lithium phosphate have been measured by both a c and d c techniques. Results indicate a large enhancement in lithium ion conduction due to the presence of the phosphate, making these materials attractive candidates for use as solid electrolytes in applications such as battery systems.     

Extraction of lithium with functionalized lithium ion-sieves

Due to the technology advancement and the large-scale application of lithium-ion batteries in recent years, the market demand for lithium is growing rapidly and the availability of land lithium resources is decreasing significantly. As such, the focus of lithium extraction technologies has shifted to water lithium resources involving salt-lake brines and sea water. Among various aqueous recovery technologies, the lithium ion-sieve (LIS) technology is considered the most promising one. This is because LISs are excellent adsorbents with high lithium uptake capacity, superior lithium selectivity and good cycle performance. These attributes have enabled LISs to separate lithium effectively from aqueous solutions containing different ions. The present work reviews the latest development in LIS technology, including the chemical structures of ion-sieves, the corresponding lithium adsorption/desorption mechanisms, the ion-sieves preparation methods, and the challenges associated with the lithium recovery from aqueous solutions by the LIS batteries. Besides, some common LIS composite materials forming technologies, including granulation, foaming, membrane and fiber formation, and magnetization, which are used to overcome the shortcomings in industrial column operations, are also explored.     

Dendrite-free all-solid-state lithium batteries with lithium phosphorous oxynitride-modified lithium metal anode and composite solid electrolytes

Nano Research - Dendrite formation on lithium (Li) metal anode is a key issue which hinders the development of rechargeable Li battery seriously. A novel method for suppressing Li dendrites via...     

新型锂盐二氟草酸硼酸锂的研究进展

介绍了一种新型锂盐二氟草酸硼酸锂(LiODFB)的基本性质和制备进展,以及在锂离子电池应用中的基本特性.使用LiODFB电解液的电池电化学性能优良、对电极材料相容性较好、与其他锂盐混合使用性能良好,有望成为动力电池用电解质锂盐。     

Knoop microhardness measurements on lithium niobate and lithium tantalate

Knoop microhardness measurements were made on the (11.0), (01.0) and (00.1) planes of the trigonal isostructural compounds lithium niobate and lithium tantalate. The data indicate uniform hardness in the 〈11.0〉 and 〈01.0〉 directions and greater hardness in the [00.1] direction. In accordance with previous findings of hardness anisotropy in materials with hexagonal crystal structure, the present data indicate preferred slip on basal planes. The ratio of hardness to the shear modulus C ₆₆ is close to 0.1, which is usually found in covalent-bonded solids.     

Fast ionic lithium conduction in solid lithium nitride chloride

Lithium nitride chloride (Li_1.8N_0.4Cl_0.6) crystallizes in a defect anti-fluorite structure with 10% of the lithium sites being vacant. Its electrical conductivity and thermodynamic stability have been investigated in the temperature range from 25 to 400° C. Lithium ions are the predominant charge carriers, yielding a conductivity temperature product of σ T = 7.456 × 10⁴ exp(?0.49₅ eV/kT) $\text{Ω}{}^{\mathrm{?1}}$ cm^?K. The electronic contribution to the total conductivity is smaller by a factor of less than 10^?4. The material is thermodynamically stable against pure metallic lithium and has a decomposition voltage larger than 2.5 V.     

锂离子电池电解质用含硼锂盐研究进展

电解质材料是锂离子电池的关键材料之一。LiBF4、双草酸硼酸锂(LiBOB)及草酸二氟硼酸锂(LiODFB)是极具应用前景的3种含硼锂盐。介绍了3种锂盐各自的优缺点及研究近况,重点综述了它们的离子传导特性及与电极材料的相容性能。     

可用于锂离子电池的新型锂盐:LiODFB

介绍一种新型的可用于锂离子电池的锂盐:LiODFB(lithium oxalyldifluoroborate).LiODFB独特的化学结构,使其结合了双乙二酸硼酸锂(LiBOB)及四氟硼酸锂(LiBF4)的优势.与LiBOB相比,LiODFB在碳酸酯中的溶解性和溶剂的黏度有了明显改善,从而使锂离子电池具有更好的低温性能和倍率放电性能.而与LiBF4相比,LiODFB能促进稳定固态电解液界面(solid electrolyte interface,SEI)的形成,改善了锂离子电池的高温性能.该种新型锂盐还具有以下优点:与金属锂的化学稳定性好,在高电位下能够很好地使铝箔得到钝化和提高锂离子电池安全性能及抗过充的能力.这些性能使得LiODFB成为一种极有可能替代LiPF6的新型锂盐.     

The production of lithium oxide by electron irradiation of lithium fluoride

Observations of electron damage occurring in LiF single crystals within an electron microscope are recorded. A number of irradiation-induced defects, similar to those reported by other workers were observed, but a new feature is the identification, by electron diffraction, of Li₂O distributed in precipitates and as a dispersed phase.