半限域层次孔炭三维锂负极的构筑及性能

金属锂负极是锂电池极具发展潜力的高能二次电池负极材料,但是锂枝晶生长、界面不稳定、循环稳定性差和体积膨胀大等问题限制了锂负极的应用。针对枝晶生长和体积膨胀的问题,本工作通过模板法构筑了一种具有较大比表面积的半限域式层次孔炭(HPC)材料,HPC电极材料的高比表面积可降低局部电流密度,丰富的孔道结构可将锂限制在其内部沉积,从而达到抑制枝晶生长和缓解体积膨胀的目的。Li‖HPC电池在电流密度为1.0 mA·cm^-2、沉积电量为1.0 mAh·cm^-2条件下可以循环超过250周次,其库仑效率保持在97.6%。采用此负极与磷酸铁锂(LiFePO₄)正极匹配制备的Li@HPC‖LiFePO₄全电池,在0.5 C下循环100周次后的正极放电比容量为93.6 mAh·g^-1,较相同条件下的Li@Cu‖LiFePO₄全电池(60.8 mAh·g^-1)提升了32.8 mAh·g^-1。     

半限域层次孔炭三维锂负极的构筑及性能EI北大核心

金属锂负极是锂电池极具发展潜力的高能二次电池负极材料,但是锂枝晶生长、界面不稳定、循环稳定性差和体积膨胀大等问题限制了锂负极的应用。针对枝晶生长和体积膨胀的问题,本工作通过模板法构筑了一种具有较大比表面积的半限域式层次孔炭(HPC)材料,HPC电极材料的高比表面积可降低局部电流密度,丰富的孔道结构可将锂限制在其内部沉积,从而达到抑制枝晶生长和缓解体积膨胀的目的。Li‖HPC电池在电流密度为1.0 mA·cm^(-2)、沉积电量为1.0 mAh·cm^(-2)条件下可以循环超过250周次,其库仑效率保持在97.6%。采用此负极与磷酸铁锂(LiFePO_(4))正极匹配制备的Li@HPC‖LiFePO_(4)全电池,在0.5 C下循环100周次后的正极放电比容量为93.6 mAh·g^(-1),较相同条件下的Li@Cu‖LiFePO_(4)全电池(60.8 mAh·g^(-1))提升了32.8 mAh·g^(-1)。     

电解液化学保护锂金属电池负极的研究进展

锂金属电池被认为是最具潜力的高能量密度储能器件之一,但是锂金属电池负极低库仑效率及不可控的枝晶生长等问题阻碍了其商业化进程.在锂金属电池中,电解液会直接参与固态电解质界面膜(SEI)的形成,对锂金属负极的库仑效率、枝晶生长等产生重要影响.传统LiPF6基酯类电解液中,锂金属库仑效率低,且锂枝晶现象严重.近年来通过电解液添加剂、溶剂、锂盐以及锂盐浓度等途径调控电解液化学,在锂金属负极保护上取得了显著效果.例如,采用与锂金属负极兼容性更佳的醚类溶剂,可以降低电解液与锂金属的反应性;采用多种添加剂与新型锂盐复配可以有效抑制锂枝晶的形成;采用高浓度锂盐电解液,可以形成稳定SEI膜等.本文综述了锂枝晶的生长原理以及通过溶剂、锂盐、添加剂和高浓度电解液等策略调控电解液化学保护锂金属电池负极的研究现状,总结了各种途径的优势及局限性.并对锂金属电池电解液的发展提出了新的见解,以激发新的策略面对锂金属电池后续的挑战.     

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...     

面向可充电电池的锂金属负极的枝晶生长:理论基础、影响因素和抑制方法

在全球能源与环境问题日趋紧迫的大背景下,可再生能源的获取与利用途径及高效安全的储能技术的研发一直是工业界和科学界关注的热点之一。锂离子二次电池作为能量存储器件,拥有高比能量、长循环寿命等优点,近十几年来其研究取得了长足进展,并在各类便携式电子设备和电动交通工具中获得了广泛应用。然而,随着各种高性能设备的不断涌现,商业化的锂离子电池越来越难以满足其在能量密度、循环稳定性和安全性等方面的要求。为了进一步提高锂离子电池的能量密度,需要开发出高比容量的负极材料(硅、锡和锂等)以取代传统石墨负极。硅、锡等新式负极材料通过与锂离子反应形成含锂化合物的原理来存储与释放锂离子,完成电池的一个充放电过程。这个过程往往伴随着负极材料体积的剧烈变化,经历较长时间循环使用后会导致负极材料的粉化甚至从集流体上剥离,引起电池容量迅速衰减甚至失效。而锂负极通过锂在负极上的溶解和沉积来完成电池的充放电过程,该过程不存在反应相变所导致的体积变化。另外,锂金属负极材料具有极高的质量比容量(3 860mAh/g)、低密度(0.59g/cm3)和低的还原电位(-3.04V,相比于氢标准电极),被认为是一种理想的可充电电池负极材料。然而,锂的枝晶生长、锂金属电池低的库伦效率和锂的无主体沉积引起的体积膨胀等一些关键问题长期以来制约着锂负极的商业应用。锂的每次沉积都会产生枝晶,在充放电循环中,锂枝晶会导致电池内部短路甚至发生爆炸,带来严重的安全问题。除此之外,锂枝晶还会增加负极表面积,新暴露的锂金属会与电解液反应生成固态电解质膜(Solid electrolyte interface,SEI),这会损耗活性材料以及降低电池的库伦效率。为了解决以上问题,研究者们对锂金属电极进行了许多探索,尤其是在锂枝晶生长的机理及其抑制方法方面。一些理论模型如扩散模型、SEI保护模型、电荷诱导生长模型和薄膜生长模型等,以及与这些模型相对应的一些抑制方法如均匀锂离子流法、SEI膜保护法、稳定沉积主体法和静电屏蔽保护法等被提出。这些抑制方法能够在一定程度上缓解锂枝晶的生长问题,但都未能达到商业化应用的要求。本文总结了近几年研究人员针对锂离子电池锂金属负极的一些重要研究,系统地介绍了业内较为认同的枝晶生长模型和影响因素,并着重叙述了抑制枝晶生长的方法及成效,最后就锂金属负极将来的研究方向给出一些建议。     

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.     

合金材料在锂金属负极中的应用研究进展EI北大核心

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。     

锂离子电池负极材料球形钛酸锂的合成及性能

以3.98mol/L的四氯化钛为前驱体溶液,采用内凝胶法制备了具有尖晶石结构的球形钛酸锂(Li4Ti5O12)粉末。通过XRD、SEM及电化学性能测试等分析手段表明,合成的Li4Ti5O12材料均为纳米一次粒子(晶粒)组成的球形二次粒子(颗粒),且具有较大的比表面积。以这种流动性好、粒径分布均匀、结晶度好的球形钛酸锂为正极材料和Li片为负极材料组成的锂离子电池具有平稳的充放电电压平台和优异的循环性能。在1.0~2.5V充放电,其首次放电容量为173.8mAh/g,经30次充放电循环后,其放电比容量仍有170.2mAh/g。     

石墨烯基材料在高性能锂金属电池中的研究进展

由于相对较低的能量密度,商用锂离子电池(LIB)难以满足便携式电子和电动汽车对储能设备能量密度日益增长的需求.锂(Li)金属具有高理论比容量(3860 mAh?g?1)和低的密度(0.59?g?cm?3),被认为是下一代高能密度锂电池最具前途的负极之一,如Li-S和Li-O2电池.?然而,由于固态电解质界面层的不稳定,...     

改性电解液促进均匀锂沉积的研究进展

随着二次电池的逐渐发展,金属锂为负极的电池体系以其优异的能量密度脱颖而出,但其稳定性和安全性较差的问题亟待解决。电解液作为锂离子在正负极之间传输的载体,决定了锂离子的液相传输过程和迁移速率,同时还会与金属锂负极发生界面反应生成固体电解质界面膜(SEI),电解液的组分变化会极大程度上影响SEI膜的组成和结构。电解液改性能够有效调控金属锂沉积过程,是改善金属锂负极电化学性能的重要途径。本文从电解液对锂离子沉积的影响因素出发,分析了液相传质、SEI膜的形成、电荷转移等基本过程对锂离子沉积的调控机理,总结归纳了溶剂分子、锂盐浓度、添加剂等对金属锂沉积过程的影响,介绍了溶剂混用、复合锂盐、局部高浓度电解液、双功能添加剂等电解液改性促进均匀锂沉积的方法,分析了各种改性方法对实现均匀锂沉积的作用机理,并展望了这些方法的发展趋势。     

锂离子电池负极材料钛酸锂的研究进展

锂离子电池作为一种动力能源, 在电动汽车和各种储能系统中有着良好的应用前景。尖晶石结构的钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)负极材料具有较高的脱嵌锂电位平台、优异的循环稳定性、以及突出的安全性能, 被认为是一种非常有潜力的锂离子电池负极材料, 在锂离子动力电池中具有巨大的发展潜力。然而, 尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂存在着本征导电率低, 理论容量小等缺陷, 极大地限制了其规模化应用, 需要进一步改善和提高。本文总结了尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂材料在结构形貌、制备方法和性能方面的研究进展, 深入分析和讨论了离子掺杂、碳表面改性和纳米化等改性方法对尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂综合电化学性能的改善效果, 并展望了尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂作为锂离子电池负极材料未来的发展方向。     

碳基集流体材料在钠金属负极中的应用

室温钠离子二次电池是锂离子二次电池最有可能的替代品,也被认为是大规模能量存储技术的最有前景的选择之一。金属钠具有超高的理论容量以及低的氧化还原电位,因此被认为是最有前景的高比能钠离子电池的负极材料。然而,钠金属负极的应用仍面临一些挑战性,如钠枝晶的生长、钠金属与电解液之间的副反应、充放电过程中大的体积膨胀等。其中,钠枝晶生长不仅可以产生死钠和加速钠金属与电解液之间的副反应,导致容量的快速衰减,而且可能刺穿隔膜,引发电解液燃烧、电池爆炸等严重的安全问题。炭材料家族成员众多,可具有高机械强度、轻质量、高导电性、大比表面积和良好的化学稳定性等特性,近年来被广泛报道用于钠金属负极的集流体的研究。本文综述了最新的碳基集流体材料在钠金属负极上的研究进展,分析了碳基集流体的界面、结构与钠金属负极性能之间的关系,最后并对碳基集流体的未来研究面临的问题进行了展望。     

球磨法制备锂金属氮化物及电化学性能研究

采用高能球磨法制备了锂离子电池负极材料锂金属氮化物Li_3-xM_xN(M=Co,Cu等)。制备的锂金属氮化物具有较高的电化学活性和充放电可逆性,可以用作锂离子电池的高容量负极材料。所制备的Li_2.6Co_0.4N前10次循环的脱嵌锂容量高达880mAh·g^-1。Li_2.6Co_0.2Cu_0.2N最初几个循环的脱嵌锂容量为750mAh·g^-1,45次充放电循环后的容量保持率为80％。Li_2.6Co_0.2Fe_0.2N是含有Li_2.6Co_0.4N的两相或多相混合物,40次充放电循环后脱锂容量为560mAh·g^-1,相对第二次脱锂容量的保持率为82％。     

甲基萘沥青基有序中孔炭的制备及电化学性能

以1-甲基萘热溴化/脱溴聚合沥青为前驱体, 中孔二氧化硅SBA-15为模板, 采用液相浸渍法合成有序中孔炭。通过不同测试手段对中孔炭的微观结构和电化学性能进行了研究。当模板剂和沥青质量比为1:1, 升温速率为 1 ℃·min^-1, 碳化温度为900 ℃时, 所制备的中孔炭性能最优, 具有高度有序的二维六方孔道结构, 比表面积为675 m²·g^-1, 孔容为1 cm³·g^-1, 孔径集中在3.84 nm左右。该中孔炭用于Li-S电池的正极载体材料表现出良好的电化学性能, 在0.2C(1C=1675 mA·g^-1)电流密度下经300次循环后放电比容量和容量保持率分别为688 mAh·g^-1和67.1%, 在3C电流密度下比容量可达556 mAh·g^-1。     

高比容量负极/正极材料炭载体在锂/钠离子电池研究进展

随着对清洁能源需求的不断增加,二次离子电池已成为研究热点,开发具有高比容量的负极/正极材料尤为重要.合金化反应机制的硅、磷、锗、锡负极和硫正极材料存在较高的体积膨胀率,其中磷和硫较差的导电性以及可溶性中间产物的穿梭效应限制了实际应用.沉积/溶解机制的金属负极枝晶问题使其不能单独作为负极材料使用.炭材料由于其来源广泛以及...     

锂离子电池炭负极材料结构及嵌锂机理研究进展

炭材料取代金属锂作为负极后,锂离子电池在商业应用上取得了成功,并以其高能量密度在各种电子设备上广泛使用.锂离子电池的性能很大程度上取决于炭负极材料的微观结构,不同种类的炭材料其电化学性能有很大差别.对近几年所研究的可逆储锂炭材料进行了综述,着重总结了炭负极材料的种类、结构及其嵌锂机理,并展望了锂离子电池炭负极材料的研究进展.     

锂硫电池锂负极保护策略及研究进展

锂硫电池作为一种新型储能体系,具有高比容量(1 675mAh/g、高能量密度(2 500Wh/kg)以及原材料价格低廉、对环境友好等优势,研究其在电动汽车、无人机、便携式电子设备和智能电网等领域的应用具有重要意义.但锂硫电池的产业化道路仍面临重重阻碍,硫及其还原产物的绝缘性、多硫化物的穿梭效应和锂枝晶等严重影响了电池的...     

锂离子电池负极材料钼掺杂钛酸锂的制备及电化学表征

采用固相合成法制备了钽掺杂材料Li₄Ti_4.95Mo_0.05O₁₂. 通过XRD和SEM来表征Li₄Ti_4.95Mo_0.05O₁₂的结构和形貌. 结果表明: 钼掺杂并没有改变本体材料的结构和形貌, 而且显著提高了材料的循环性能和倍率性能. Li₄Ti_4.95Mo_0.05O₁₂在10C和30C倍率的放电容量分别为117.03和94.24mAh/g.Mo掺杂取代了Li₄Ti₅O₁₂中的Ti位置, 产生了Ti⁴⁺/Ti³⁺混合价态, 从而提高了钛酸锂的电导率. 所以Li₄Ti_4.95Mo_0.05O₁₂是一种高倍率性能优异的锂离子电池负极材料.     

碳纳米管用于锂离子电池负极材料的嵌锂机理研究

研究了将纳米碳管用于锂离子电池负极材料的嵌锂机理,包括纳米碳管的充放电容量、充放电前后碳纳米管的IR光谱、循环伏安曲线和充放电过程中的XRD图谱研究。研究结果表明,纳米碳管具有比较高的放电容量,首次放电比容量为649.4mA·h/g,循环20次后充放电效率仍可达94.1%。IR光谱研究表明纳米碳管的充放电过程中在电极界面存在SEI膜;循环伏安法研究表明碳纳米管负极随着循环次数增加,不可逆容量减少,锂离子的嵌入与脱出更加可逆;XRD分析则说明在充放电过程中d002增大,有越层反应发生。     

碳基支架在构建稳定复合锂金属阳极方面的研究进展（英文）

因为锂金属电池(LMBs)具有高能量密度、高理论比容量和低氧化电位等优点,被认为是后锂离子电池(LIBs)中理想的能量存储装置之一。然而,锂金属阳极(LMA)面临着多种障碍,包括低库仑效率(CE)、大体积膨胀、锂枝晶的形成、低安全和低稳定性及短寿命,这些问题阻碍了LMBs的实际应用。由于低密度、高机械强度、稳定的化学性质和大比表面积等优势,碳基材料受到了广泛关注。建立复合碳基LMA是各种策略中的一种有效选择,因为其具有缓解体积膨胀、降低局部电流密度以及提供均匀Li⁺沉积的活性成核位点的能力。本文综述了复合碳基LMA的最新研究进展,包括碳基复合材料、元素金属及其化合物与碳基材料的复合物,以及它们与阳极界面稳定性和结构的关系。最后,本文总结并提出了关于将碳基材料作为LMA支架的观点和见解。