凹凸棒石在锂金属电池负极保护中的应用EI北大核心CSCD

锂金属电池因能量密度高被认为是极具发展潜力的储能电池之一。然而锂金属负极上锂枝晶的生长会导致容量衰减甚至安全问题。为此,将凹凸棒石负载至纤维膜上应用于锂金属电池的负极保护,组装成对称电池及磷酸铁锂全电池进行电化学测试。结果表明:添加凹凸棒石的纤维膜可有效抑制锂枝晶的生长,其对称电池在沉积容量为1 mA·h/cm^(2)、电流密度为2 mA/cm^(2)下循环500 h时极化电压仅为83.2 mV,1 C倍率下加入凹凸棒石纤维膜的全电池循环1000圈后放电比容量仍有84.92 mA·h/g。综上,凹凸棒石对锂枝晶有抑制作用,为锂金属电池负极保护提供了新思路。     

原位生成醋酸锂改性金属锂负极及其稳定性

为了提高锂负极的循环稳定性能,需要对金属锂进行改性保护,改善锂沉积行为,抑制锂枝晶的产生。主要使用冰醋酸挥发气体与锂负极原位反应,在金属锂表面原位形成一层醋酸锂,得到CH₃COOLi-Li负极。表面形成的醋酸锂钝化膜可以抑制锂与电解液的反应,抑制循环过程中锂枝晶的生长。组装对称锂电池、锂铜电池和钴酸锂全电池并对其进行电化学表征,均表明CH₃COOLi-Li负极相比于纯Li负极,电池的循环稳定性能得到明显改善。CH₃COOLi-Li负极的锂铜电池循环100圈后Coulomb效率仍稳定在97%以上,组装的CH₃COOLi-Li/LiCoO₂全电池循环1 000圈容量保持率高达73.5%。     

Urea/LiTFSI深共融电解液在锂金属电池中的应用

锂金属电池由于具有高能量密度一直受到广泛的关注。然而,目前传统的电解液由于挥发性高,并且与锂金属负极反应产生锂枝晶等问题,使其不能很好的应用于锂金属电池。尿素基深共融体系具有高的离子电导率,良好的热稳定性以及不易燃等优异的特性,目前已经被应用于锂离子电池。基于此,本文尝试将尿素基电解液(Urea/LiTFSI)应用于锂金属电池,并取得了优异的电池循环性能。     

机器学习原子势在锂金属负极中的应用

锂金属是下一代二次电池的理想负极材料。然而，锂枝晶生长存在安全隐患，并导致电池Coulombic效率低，这严重制约了锂二次电池的商业应用。目前，人们对锂的沉积生长机制在原子尺度上还了解甚少，同时对锂枝晶的成因也众说纷纭。近年来，机器学习在计算材料学中的应用使得许多以前无法实现的进步成为可能，本文综述了机器学习原子势在锂金属负极研究中的应用。     

镍网原位生长氧化镍构建复合锂负极用于锂空气电池

为了提高锂空气电池性能,有效缓解体积膨胀和负极粉化的现象,实验采用金属镍网原位生长氧化镍薄片并与金属锂复合构建复合锂负极Li@Ni-NiO,将其应用于锂空气电池。Li@Ni-NiO的版电池能够在180个循环内维持98%的库伦效率,基于Li@Ni-NiO的锂空气电池可以稳定循环120圈。复合负极有效地缓解了枝晶生长,改善了电场分布,最终达到均匀电镀的目的,为高性能锂空气电池的负极发展提供了一种新的思路。     

锂金属负极中人工固体电解质间相保护膜研究进展

介绍了锂电池的发展,锂金属电池的优势及面临的挑战,即锂金属电池存在循环稳定性差和枝晶生长的问题。对此,可以在锂负极表面构建一种人工固体电解质间相（SEI）保护膜。叙述了SEI保护膜的形成、研究方向和负极材料所具备的条件,讨论了锂金属负极电池发展方向,认为锂金属负极电池的需要在基础研究、材料开发和电池工程等方面付出更多的努力。     

锂硫电池中抑制穿梭效应和锂枝晶的近期进展

锂硫电池具有突出的高比容量、环境友好、原材料廉价易得等特点,是未来新能源的一个选择方向。首先介绍了锂硫电池的研究背景以及放电原理,然后分别在电池的隔膜和负极2个方面叙述了抑制穿梭作用和抑制锂枝晶的最近进展,并且对未来锂硫电池的发展进行了展望。     

高库伦效率锂金属负极研究

锂金属兼具低电位和高比容量,是一种理想的高比能锂电池负极材料.由于锂金属几乎能与所有的电解液反应,并且充放电过程会不断暴露出高活性锂金属加剧副反应的发生,使得锂金属负极在循环过程中的库伦效率很低.为了提高锂金属负极在有限过量锂条件下的循环寿命,迫切需要改善锂负极的库伦效率.在本工作基于具有较高库伦效率的含醚电解液,通过...     

锂金属电池用复合固体电解质及其界面研究进展

相比于液态锂电池,固态锂金属电池由于电解质不易燃、不挥发而具有更高的安全性。此外,固态电解质能够有效抑制锂枝晶的生长,使基于高能量密度的锂金属作为负极材料成为可能。但是,固态锂金属电池存在着界面阻抗大、固体电解质/电极兼容性差、电解质离子电导率低及电化学窗口较窄等问题。因此,开发高性能的柔性固体电解质对推动固态锂金属电池的发展起着重要作用。本工作总结了固态锂金属电池中聚合物与不同类型填料复合最新研究进展及复合固体电解质匹配电极材料时存在的界面阻抗大问题与解决策略。     

新能源汽车固态电池中的锂枝晶抑制研究

相比于商业化的锂离子电池,固态电池具有更高的能量密度和更好的安全性。然而,固体电解质依旧面临锂枝晶生长的问题。以目前已大规模工业化的聚氧化乙烯(PEO)基电解质作为研究对象,通过将PEO与高杨氏模量的石榴石型电解质复合,抑制了锂枝晶在PEO基复合电解质中的生长,不仅使电解质膜的离子电导率从9.8×10-6S/cm增加到了3.8×10-4S/cm,还使锂/锂对称电池的临界电流密度从0.4 m A/cm²提高到1.6 mA/cm²。与此同时,组装的基于金属锂负极与传统石墨负极的软包电池可分别获得334.5 W·h/kg与218.2 W·h/kg的能量密度。其中,钴酸锂/复合电解质/石墨软包全电池循环1 000次后的容量保持率可达92.3%,能够满足新能源汽车的需求。     

三维锂金属负极的研究进展

金属锂具有高的理论比容量（3 860 mAh·g^-1）,低的电极电位（-3.04 V与标准氢电极相比）和低的密度（0.53 g·cm^-3）,是最有前途的锂二次电池用的负极材料。但仍存在循环过程中枝晶生长及其导致的低库伦效率、短循环寿命等问题。而3D锂金属负极因具有高比表面积和内部空腔能有效缓解上述问题。特别是纳米技术的发展为3D锂金属负极提供了更高效的形貌与结构。基于金属基和碳基3D锂金属负极对三维锂金属负极的设计及研究进展进行了详细的概述。     

锂金属电池发展及材料分析

随着人们对锂电池续航要求不断提高，开发新体系的锂电池成为研究的热点。锂金属电池凭借着较高的比能量，吸引着众多的关注。但是由于存在正极材料克容量和稳定性不足、固态电解质材料界面阻抗大以及锂金属负极膨胀等各方面的限制，导致目前锂金属电池距离大规模应用仍有一段距离。本文从常用的正极材料、锂金属负极材料以及固态电解质材料出发，论证分析了各个材料目前的技术进展，并评估了各个材料的发展前景。     

锂枝晶的成核、生长与抑制

锂金属电池具有较高的理论比容量和最低的氧化还原电位,被认为是最有前途的电化学储能器件之一。然而,金属锂阳极上的锂枝晶所引起的一些关键问题严重阻碍了其实际应用。首先从离子浓度、电场、应力、温度四方面因素介绍了多形貌锂枝晶成核和生长机理;同时,总结了一些用于表征锂枝晶的先进技术;并归纳了抑制锂枝晶形成的策略,包括控制锂枝晶成核的亲锂表面电极、非均相晶核,控制锂枝晶生长的三维导电基体、物理涂层,以及具有固定阴离子的纳米结构电解质和形成球形锂沉积的盐包水电解质。最后提出了挑战和展望,探讨了锂枝晶的未来研究方向。     

锂离子电池自愈聚合物材料研究进展

锂离子电池长时间使用过程中因为反复的充放电而出现材料及界面损伤,如锂金属负极因表面锂枝晶的生长刺破隔膜造成电池内部短路、高比容量硅负极因体积膨胀收缩效应导致电极结构破裂等。具有自愈能力的聚合物材料可以应对锂枝晶生长和其它机械性裂纹的产生,显著提高锂离子电池的安全性,延长使用寿命。在阐述自愈机制的基础上,对自愈聚合物材料在锂离子电池领域的应用进行了综述,并向粘接剂、复合电解质、人工界面层(保护涂层)展开,为下一代高安全性、高性能和长使用寿命的锂离子电池自愈聚合物材料的研究提供借鉴。     

原位构建富氟SEI的凝胶电解质用于金属锂二次电池

以六氟磷酸锂（LiPF₆）为四氢呋喃的聚合引发剂制备凝胶电解质,同时作为氟源在金属锂负极表面原位构建富含LiF的固态电解质界面层（solid electrolyte interface,SEI）来抑制锂枝晶的生长以及金属锂/电解液之间的副反应。所制备的凝胶电解质具有较高的室温离子电导率（1.33 mS·cm^-1）和较宽的电化学稳定窗口（4.5 V）。原位聚合方式组装金属锂对称电池循环后,锂负极表面没有明显的锂枝晶和被损毁的形貌出现;XPS结果表明锂负极表面生成了富含LiF的SEI。组装的LiFePO₄全电池在1 C的电流密度下,稳定循环400周后仍保持118.7 mAh·g^-1的放电比容量。得益于四氢呋喃在开环聚合反应过程中,促进了LiPF₆分解反应平衡的正向移动,在锂负极表面形成稳定的富含LiF的SEI,能够抑制锂枝晶的生长并防止其被持续性的腐蚀破坏。     

原位构建富氟SEI的凝胶电解质用于金属锂二次电池

以六氟磷酸锂（LiPF₆）为四氢呋喃的聚合引发剂制备凝胶电解质,同时作为氟源在金属锂负极表面原位构建富含LiF的固态电解质界面层（solid electrolyte interface,SEI）来抑制锂枝晶的生长以及金属锂/电解液之间的副反应。所制备的凝胶电解质具有较高的室温离子电导率（1.33 mS·cm^-1）和较宽的电化学稳定窗口（4.5 V）。原位聚合方式组装金属锂对称电池循环后,锂负极表面没有明显的锂枝晶和被损毁的形貌出现;XPS结果表明锂负极表面生成了富含LiF的SEI。组装的LiFePO₄全电池在1 C的电流密度下,稳定循环400周后仍保持118.7 mAh·g^-1的放电比容量。得益于四氢呋喃在开环聚合反应过程中,促进了LiPF₆分解反应平衡的正向移动,在锂负极表面形成稳定的富含LiF的SEI,能够抑制锂枝晶的生长并防止其被持续性的腐蚀破坏。     

高面积容量锂-硫化聚丙烯腈电池的快速界面传输

锂硫电池由于具有较高的理论比能量和环保性能,已成为最有前途的高比能电池系统之一。然而,锂金属阳极在锂硫电池中的实际应用仍有阻碍。本文设计了一种简单的方法在锂阳极上制备锂硅/氯杂化保护层,该保护层不仅能对锂枝晶生长起到抑制作用,还为电荷的快速转移提供了动能。由于硫化聚丙烯腈的高导电性和改性锂阳极的高交换电流密度,使得锂-硫化聚丙烯腈电池能够保持稳定的充放电循环,并表现出优异的倍率性能。即使阴极有8 mAh/cm~2的高面积容量,电池也可以在0.2C时以500 mAh/g的比容量保持50次以上的循环。     

高表面能氟化层提高锂金属负极稳定性的研究

随着人们日益增长的对高性能可充电电池的迫切需求,需要寻找并开发新的技术来解决锂金属电极稳定性不足的问题。该研究开发了一种简单的表面氟化工艺,通过利用氟化物[双(2-甲氧基乙基)胺]三氟化硫作为前驱体,在锂金属表面形成均匀和致密的LiF层。结晶性LiF层提供了必要的化学稳定性和机械强度,减少了锂金属与碳酸盐电解质的腐蚀反应,同时LiF/Li界面的高表面能可以促进锂离子快速且均匀地运输并抑制锂枝晶的生长,使得被保护的锂金属电极(LiF@Li)可以稳定循环900h,极大提升了LiF@Li||LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂全电池的循环性能和库伦效率(200个周期后73.9%的容量保持率,平均库伦效率为99.75%)。     

LiFePO4锂离子动力电池45℃容量衰减机理

以电动汽车的方型LiFePO₄/石墨动力实验电池为研究对象,探究其在45℃恒温箱下1C充放电循环的失效机理。通过对电池进行解剖,系统分析了电池循环前后正负极片的厚度、形貌、结构和克容量的变化。随着电池在45℃高温下循环,电解液分解以及Fe溶出损失、SEI膜再生长,消耗大量的活性锂,交流内阻增加导致电化学极化增大,活性锂消耗引起负极容量损失为6.7%,负极结构变化造成的容量损失为22.64%。结果表明石墨负极动力学性能的衰减是电池失效的主要因素。     

基于非线性动力学的锂沉积形貌模拟与预测

金属锂具有极高的理论能量密度,是新一代锂电池中最有潜力的负极材料之一。金属锂沉积时容易形成枝晶,极大影响了锂金属电池的安全性与使用寿命。但由于金属锂性质活泼,缺乏锂电极/电解液界面原位表征方法,锂枝晶生长机制尚不明确。通过有限元方法,基于非线性电极过程动力学,以三次电流模型定量研究了电极/电解液界面行为,并分析不同过程参数对表面电流的影响。结果表明,电极/电解质界面的浓度、电场差异是枝晶生长的主要原因,更大的扩散系数有利于提高界面浓度均匀性,更小的交换电流密度有利于减弱界面反应的敏感性。存在电化学极化区间是均匀沉积的必要条件,电化学极化区间越宽,均匀沉积操作窗口越宽。通过极化曲线可以判断体系是否具有均匀沉积的倾向。加深了对锂电极/电解液界面的电沉积过程的理解,对锂负极保护研究具有指导性意义。