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...     

石墨烯基材料在高性能锂金属电池中的研究进展（英文）

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(3 860 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-O_2电池。然而,由于固态电解质界面层的不稳定,导致锂枝晶生长不可控和库伦效率低等问题,限制了锂金属电池的实际应用。石墨烯基材料(GBMs)具有高比表面积、可调节的孔结构和表面化学特性,已被证明可以显著解决上述问题。本文综述了利用石墨烯基材料来保护锂金属负极的各种策略,并详细讨论了在锂金属保护中具有不同功能和作用的石墨烯基纳米材料的合理设计。文中还讨论了石墨烯基纳米材料用于锂金属负极中未来发展面临的挑战和可能的解决方案。     

硼基材料在锂硫电池中的研究进展

锂硫电池因其高能量密度和低成本等优势成为新一代电化学储能技术的重要发展方向.然而,其较低的转换反应动力学和可逆性导致电池的实际容量、库仑效率和循环稳定性等仍难以满足实用化发展需求.对此,合理设计和开发具有导电、吸附、催化特性的功能材料是稳定和促进硫电化学反应的关键途径.得益于硼独特的原子和电子结构,硼基材料具有丰富且可...     

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。     

石墨烯/锂金属复合材料的制备和电化学性能

对于高能量密度锂金属电池体系,安全、稳定的锂负极材料是关键。采用微波还原、热还原和机械剥离方法制备了3种具有不同形貌结构的石墨烯,并通过压制和叠层工艺,制备出石墨烯/锂金属复合材料。通过扫描电子显微镜(SEM)、拉曼(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)和N₂吸脱附曲线分析了不同石墨烯材料的形貌、组成、结构以及石墨烯/锂金属复合材料的形貌。同时采用Li||Li对称电池和LiFeO₄全电池,评价了石墨烯/锂金属复合材料作为负极的电化学性能。结果表明,石墨烯/锂金属复合材料具有层状结构,在微波还原石墨烯(MRGO)、热还原石墨烯(RGO)和机械剥离石墨烯(EG)中,MRGO最适用于改性金属锂,叠层3次得到的4MRGO/3Li复合材料具有最优的电化学性能。基于4MRGO/3Li的Li||Li对称电池在9.9 mV左右的极化电压下稳定循环1200圈,相对于纯锂金属,极化电压降低10.6 mV,安全性和稳定性大大提升。以4MRGO/3Li复合材料为负极的LiFeO₄全电池稳定循环800圈后,放电容量保持为156 mAh/g。     

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。     

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。     

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

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)。     

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)。     

超薄无序结构还原氧化石墨烯/锂金属复合箔材的制备及电化学性质

超薄锂金属(≤50μm)是下一代高比能锂金属电池负极选择。然而纯锂质软、易脆,机械加工性较差,导致超薄锂箔的制备工艺复杂、成本高昂;此外相比于较厚的锂金属负极,超薄锂金属负极常呈现更差的电化学循环性能。本文提出一种“自下而上”的策略制备10～50μm厚度可控的超薄还原氧化石墨烯/锂金属(rGO/Li)复合箔材,其结构由大量无序随机的rGO片层非平行排列并均匀分散在锂金属内。首先将还原氧化石墨烯(rGO)粉片与熔融锂金属在200℃下搅拌复合,获得微米级的还原氧化石墨烯/锂复合粉片,之后将复合粉片作为原材料进一步通过反复辊压制备出结构均匀、超薄的复合箔材,该方法具有一定的规模化潜力。不同于其他所报道的rGO层状薄膜结构,在复合箔材中rGO片层随机无序分散形成三维网络,有利于实现锂的均匀沉积/剥离。所制50μm超薄无序结构rGO/Li复合箔材负极在对称电池中以1 mA cm^-2、1 mAh cm^-2条件在醚基电解液中可稳定循环1 600 h以上,在与硫化聚丙烯腈(SPAN)正极组配全电池以0.2 C倍率循环220次后比容量高达～675 mAh g<...     

石墨烯基材料在超级电容器中的应用研究进展

石墨烯作为一种新型的碳材料,具有优异的物理、化学及力学性能,如导热导电性能良好、比表面积大及机械强度高,这些特性使其成为应用在电化学领域中的理想材料.总结了超级电容器用石墨烯材料的主流制备方法,综述了最近几年石墨烯及其复合材料在超级电容器中的应用研究进展,并展望了其未来的应用前景.     

石墨烯负载金属钌用于锂-空气电池的正极材料

通过溶液法制备钌/石墨烯(Ru/G)复合材料,用作锂-空气电池的正极材料。通过充放电测试、循环伏安(CV)和电化学阻抗(EIS)研究了锂-空气电池的电化学性能。结果表明:Ru/G复合材料作为锂-空气电池的正极材料,明显提高了氧化还原反应的催化活性,改善了电化学反应性能。在电流密度为500mA·g-1时,首次充放电比容量分别为13136mAh·g-1和13578mAh·g-1,充放电的过电位降低了约0.35V。当固定充放电比容量为1000mAh·g-1,采用恒流充放电模式,可稳定循环30次。     

锂空气电池研究进展

随着全球经济的不断发展,环境污染和资源问题对能源发展提出了新的要求,研究与开发高能量密度的电源体系势在必行。以空气作为正极活性物质和以金属作为负极活性物质的金属空气电池,可以直接利用空气中的氧气,表现出高比能量的特点,其理论比能量均在1000wh／kg以上。其中,锂空气电池具有较高的放电平台和较低的分子质量,表现出显著的优势。     

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。     

炭材料在锂金属电池中应用进展

金属锂作为下一代高能量密度电池的负极材料,具有广阔的应用前景.然而,金属锂的沉积/剥离过程常伴随着高曲折度的枝晶的形成,导致电池寿命短,甚至会诱发安全隐患.迄今为止,研究者们已开发出多种方法来抑制枝晶生长和调节固体电解质界面膜的均匀性.炭材料因其轻质、高导电、多级多孔、化学和物理稳定特性被设计成不同种类的材料来用于稳定...     

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。     

类石墨烯二硫化钼在锂离子电池负极材料中的研究进展

综述了近年来国内外应用于锂离子电池负极材料的类石墨烯MoS2基材料的研究进展。简要介绍了其晶体结构、制备方法、嵌锂反应机理,并详细介绍了2H-MoS2基材料在锂离子电池负极领域的研究进展,包括水热法、硬模板法和溶剂热法制备特殊形貌的2H-MoS2,以及无定形碳、介孔碳分子筛、碳纳米管、石墨烯/2H-MoS2复合材料及高分子聚合物/C/2H-MoS2复合材料的最新研究现状。     

石墨烯在锂系二次电池中的应用:进展与展望

能源危机和环境污染不断加剧,开发绿色、高效的电化学储能器件迫在眉睫。由于锂具有很高的能量密度,锂系二次电池包括锂离子电池、锂硫电池和锂空电池等得到广泛研究和快速发展;而碳基材料是锂系二次电池重要的电极材料和关键组分。石墨烯是"至柔至薄"的碳基材料,良好的力学、热学、电学性能以及高比表面积和柔性片状的结构特征使其在锂系二次电池中展示出很大的应用潜力;作为其它sp2杂化碳基材料的基本结构单元,石墨烯的出现也为构建高性能的新型碳电极材料提供了契机。评述了不同结构形貌的石墨烯基材料在锂系二次电池中的研究进展,并对目前存在的问题和下一步的工作方向进行了分析与展望。